锻造之外：增材制造能否为核电大型压力容器打出“新牌”？|压力容器|增材制造|样件|核电|核级|金属|锻件

AI正在重塑全球算力版图，而算力的尽头是电力。国际能源署（IEA）数据显示，2025年，全球AI专用数据中心的电力消耗约155 TWh,较上年增长50%；2030年，预计达到465 TWh。而同期全球数据中心电力消耗预计达950 TWh，AI专用数据中心占将近一半。

“3D科学谷白皮书解析

电力缺口之外，还有一道"绿色"门槛。根据中国相关政策要求，国家枢纽节点新建数据中心的绿电消费比例需在80%基础上进一步提升。这意味着每一度用于AI算力的新增电力，都需要有清洁能源产生的电力。

核电作为稳定的基荷零碳电源，在美国、法国等主要经济体中重新进入能源战略的核心议程。与此同时，AI数据中心对稳定基荷电源的旺盛需求，也为小型模块化反应堆（SMR）创造了新的商业场景。IEA数据显示，数据中心运营商与小型模块化反应堆项目的有条件购电协议规模已从2024年底的25 GW增长至45 GW。

然而，核电站供应链仍存在不同程度的挑战。以核岛一回路的核心设备——压力容器为例，其制造长期以来高度依赖万吨级自由锻造，全球范围内具备核级大型锻件批量供货能力的企业屈指可数。当锻造产能本身已是稀缺资源，如何为这一瓶颈寻找技术突破口？

近日，3D科学谷关注到，美国能源部下属橡树岭国家实验室（ORNL）与爱达荷国家实验室（INL）宣布了一项合作：双方将就线弧增材制造（WAAM）技术在核工业压力容器上的应用展开联合攻关。其合作目标，主要是通过增材制造过程中质量控制与数据辅助认证，制造出"born-qualified/出生即合格"的金属3D打印压力容器。

这项合作已在橡树岭国家实验室举办的"材料与制造创新日"（M2IND）上正式公布。无论最终能否成功，其所代表的"制造—传感—数据—认证"一体化新思路，对于核工业级部件乃至更多高端装备领域的制造而言，都是值得关注的。

在ORNL3D打印的压力容器样件表明，一种适用于核工业的金属合金能够被成型为复杂的穹顶形状。

©ORNL

锻造之外的新选项

压力容器是核岛一回路的核心设备，需在高温、高压及强中子辐照环境下长期服役。传统制造路线依赖万吨级自由锻造水压机将巨型钢锭反复镦粗、拔长，以获得致密的锻态组织和均匀的力学性能。这一路线对设备能力和工艺经验的要求极高，全球范围内仅有少数企业具备核级大型锻件的批量供货能力。

ORNL在新闻稿中明确指出，美国面临的具体困境在于其本土锻造产能有限。而3D科学谷在追踪全球增材制造产业动态时注意到，这一产能缺口背后有着深刻的产业链结构性背景。随着AI算力基础设施的加速建设，美国正面临前所未有的电力需求增长压力。根据美国知名供应链技术提供商Exiger公司公开发表的信息，美国在燃气轮机、大型变压器、钢材以及超大型核电站锻件四大关键领域高度依赖外国供应商。尤其值得关注的是，美国已不再生产大型一体式反应堆压力容器及配套硬件，近年来新建核电项目的关键锻件均依赖海外制造商。这种对外依赖不仅推高了成本，还在核电扩建已面临严重积压的情况下，进一步放大了供应链风险。

线弧增材制造被ORNL与INL视为一种可能绕开锻造产能约束、实现大型金属结构件近净成形的新路径，极可能是在这样的背景下产生的。如果能够通过金属3D打印技术在本土直接制造出合格的核级压力容器，美国有望打破对进口锻件的长期依赖。

ORNL的MedUSA 3D打印机使用三个协同工作的机械臂，建造了一个演示用压力容器。

©ORNL

这条新路径在之前已得到了初步验证。2025年7月，ORNL制造示范工厂的研究人员使用MedUSA线弧增材平台完成了一个核用压力容器样件的打印。该样件直径约3英尺（约0.9米）、高度约5英尺（约1.5米），由三个协同工作的机器人手臂通过电弧熔化金属丝材逐层堆积而成，材料为核级不锈钢合金。ORNL表示，该演示验证了利用多机器人电弧增材系统一次性连续成形大型封闭式容器结构的能力。

需要指出的是，这一尺寸尚属于小型压力容器范畴。以目前在运的三代核电机组为例，反应堆压力容器的内径通常在4.5米至5米量级，总高度超过12米，重量达数百吨。从0.9米直径的样件到全尺寸核岛主设备，中间存在显著的放大挑战，涉及工艺稳定性、残余应力控制、无损检测可达性以及长期服役性能评价等一系列工程问题。

真正的门槛：资格认证

增材制造进入核岛的真正门槛不在成形本身，而在资格认证（qualification）。核工程领域对材料和部件的准入有着极其严格的规范体系。对于锻件，行业已积累了数十年的标准试样测试、无损检测和服役数据，形成了成熟的认证路径。但增材制造的微观组织是逐层凝固"生长"出来的，工艺参数的波动会直接影响晶粒形态、析出相分布和残余应力状态。如果沿用传统的"打印—取样—测试—对比标准"模式，不仅经济性差，而且难以覆盖整个部件的空间变异性。

这正是ORNL与INL两大实验室开展此次合作的聚焦点。

双方提出的"born-qualified-出生即合格"的思路，旨在将质量认证前移到制造过程内部。根据ORNL项目负责人的描述，达成这一目标，需要通过嵌入工艺环节的大量传感器和实时监控系统，在每一层金属沉积的同时采集温度场、熔池形貌、凝固行为等原位数据，再借助AI和数字工程工具构建部件的数字化表征，进而对其力学性能和服役适应性做出实时评估。

INL方面则将其在核材料、AI与数据科学方面的积累带入项目。INL先进制造组负责人表示，他们正汇集两所实验室的专业知识，将人工智能和数据科学与先进3D打印技术相结合，以便能够在部件打印过程中实时评估其性能，而无需等待生产后的测试。

这一技术路线的可行性并非完全停留在概念层面。根据3D科学谷的市场观察，2025年6月，Antares Nuclear公司的R1 Mark-0微反应堆在INL达到临界，该反应堆的中子传感器支架即由ORNL实验室使用同一套MedUSA增材制造平台和相同的核级合金材料3D打印而成。从传感器支架到全尺寸压力容器，尺度跨越巨大，但底层方法论是一致的：以增材制造实现复杂核部件的快速成形，同时用过程数据构建认证依据。

国内视角

我们将视野拉回到国内。与美国"锻造产能受限"的语境不同，中国核电大型锻件的供应格局有显著差异。经过多年的技术攻关，中国一重、国机重装（原中国二重）、上海电气上重等企业已先后建成万吨级以上自由锻造水压机，形成了核岛成套锻件的自主供货能力。以"国和一号"（CAP1400）示范工程为代表的三代核电项目，设备国产化率已达到85%以上，反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器等关键设备的锻件和成套制造能力均已实现国产化。

此外，国内龙头企业在增材制造技术与锻件制造工艺的融合上走出了自主创新的路径。例如，中国一重提出了"增材制坯"技术路线，针对传统模铸钢锭存在的偏析、夹杂、有害相等技术难题，提出增材制坯原创性技术路线。

ORNL与INL的此次合作，其价值更准确地说是为核级大型金属构件的制造提供了一个“锻造之外的新选项”。美国推动这一方向的直接动因是国内锻造产能不足。这一底层推动力与国内情况虽有不同，但对于国内产业界而言，值得关注的是其背后“制造—传感—数据—认证”一体化的思路。如果过程监控与数据辅助认证能够形成可复用的技术框架，其意义将超越单一工艺，为核级部件的质量保证提供新的技术路径。