近日，美國能源部下屬的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)與愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)之間的合作取得了顯著進(jìn)展。雙方攜手加速了對增材制造核部件的檢查流程，并將這一技術(shù)成功擴(kuò)展至核燃料的檢查領(lǐng)域。

INL正在利用ORNL開發(fā)的軟件算法來檢查增材制造部件中的缺陷，這是為了識別可用于3D打印下一代核反應(yīng)堆的有前景金屬和合金。傳統(tǒng)上，核反應(yīng)堆部件的新材料和制造技術(shù)的認(rèn)證過程繁瑣且耗時(shí)，可能需要數(shù)十年時(shí)間。然而，此次合作有望大大加快新型反應(yīng)堆的部署速度，使核能能夠繼續(xù)發(fā)揮其潛力，為社會提供豐富而可靠的能源。

ORNL所開發(fā)的算法原本旨在檢測增材制造的金屬部件，但現(xiàn)如今，這一算法正在被改編應(yīng)用于檢查INL測試的輻照核燃料。INL衍射和成像小組負(fù)責(zé)人、儀器科學(xué)家Bill Chuirazzi表示，如果使用這種算法，放射性燃料的掃描時(shí)間將縮短90%，這將顯著提高工人的安全性和評估新材料的速度。他還強(qiáng)調(diào)，這一技術(shù)對核能領(lǐng)域的影響深遠(yuǎn)，從長遠(yuǎn)來看，將加快新核能理念從構(gòu)思到電網(wǎng)實(shí)施的生命周期。

此次合作不僅加速了核領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐，還對傳統(tǒng)核反應(yīng)堆材料和技術(shù)的認(rèn)證流程產(chǎn)生了重要影響。通過提升檢測能力，雙方將能夠加速先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的部署，更有效地滿足全球日益增長的能源需求。

在此次合作中，ORNL研發(fā)的Simurgh工具發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該工具利用基于真實(shí)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過更少的X射線掃描即可重建圖像，從而更快地對核部件和材料進(jìn)行表征。現(xiàn)在，Simurgh已經(jīng)顯著縮短了致密材料的掃描時(shí)間，并增強(qiáng)了缺陷檢測能力。這一進(jìn)步為小型模塊化反應(yīng)堆、高溫氣體反應(yīng)堆等創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)鋪平了道路。

此外，Simurgh的實(shí)用性還在此次合作中得到了進(jìn)一步擴(kuò)展。研究人員計(jì)劃將其應(yīng)用于檢查TRISO燃料顆粒是否存在輻照引起的缺陷等挑戰(zhàn)。通過利用該軟件識別這些先進(jìn)燃料中的膨脹、裂縫和分離情況，可以支持下一代反應(yīng)堆材料和燃料的鑒定工作。

INL 輻照材料特性實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員必須小心地將放射性樣品放入測試室，以減少輻射暴露，而縮短掃描時(shí)間可以減輕這一負(fù)擔(dān)。圖片來源：Bill Chuirazzi/INL，美國能源部

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT掃描)是一種在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛使用的技術(shù)，也可用于檢查3D打印物體的內(nèi)部質(zhì)量。然而，從多個(gè)角度掃描同一部件可能非常耗時(shí)且成本高昂。ORNL開發(fā)的Simurgh技術(shù)提供了一種有效的解決方案。該技術(shù)以神話中的有翼野獸命名，使用真實(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用基于物理的模擬和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以比傳統(tǒng)方法更少的CT掃描重建更準(zhǔn)確的圖像。現(xiàn)在，非常致密材料的掃描速度已經(jīng)提高了12倍，檢測缺陷的能力也提高了四倍。

Simurgh技術(shù)最初由ORNL研究員Amir Ziabari和他的同事于2022年在美國能源部先進(jìn)材料與制造技術(shù)辦公室(AMMTO)的領(lǐng)導(dǎo)下開發(fā)，用于3D打印金屬零件。此后，該技術(shù)的應(yīng)用和性能在美國能源部核能辦公室的先進(jìn)材料和制造技術(shù)項(xiàng)目(AMMT)下得到了擴(kuò)展。通過這個(gè)跨領(lǐng)域項(xiàng)目，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員將Simurgh的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為滿足核領(lǐng)域的嚴(yán)格要求，開辟了許多新的應(yīng)用。

近期的研究合作始于INL在嘗試將缺陷與特定打印參數(shù)聯(lián)系起來時(shí)遇到的后勤挑戰(zhàn)。研究人員需要掃描30多個(gè)樣本才能識別圖案，但每次掃描都要花費(fèi)30個(gè)小時(shí)。為了解決這個(gè)問題，Chuirazzi咨詢了ORNL的Ziabari，并獲得了使用其算法的授權(quán)。現(xiàn)在，包括準(zhǔn)備工作在內(nèi)，使用INL的設(shè)備掃描所需時(shí)間大約是掃描時(shí)間的15%，即一次掃描的時(shí)間可以完成三次掃描。

Chuirazzi意識到Simurgh的這些好處可以應(yīng)用于另一項(xiàng)專注于核燃料的聯(lián)邦計(jì)劃下的不同核挑戰(zhàn)。INL研究人員通常會推遲檢查從核反應(yīng)堆中取出的材料，以確保放射性充分消散，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員的安全。此外，重復(fù)XCT掃描過程中產(chǎn)生的輻射也會對探測器造成磨損，限制其使用壽命和圖像精度。而掃描時(shí)間越短，每次掃描的輻射劑量越少，等待時(shí)間越短，同時(shí)還能獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并更快地向材料性能模型反饋信息。

ORNL 開發(fā)的軟件正在接受訓(xùn)練，以處理輻照 TRISO 核燃料的 X 射線 CT 圖像，這些圖像類似于此處看到的微小顆粒。圖片來源：Mark Richardson/INL，美國能源部

隨著Simurgh的不斷發(fā)展，它已經(jīng)在X射線CT成像領(lǐng)域鞏固了其地位，徹底改變了分析復(fù)雜組件的方法，提高了效率、成本效益和安全性。Ziabari表示，該工具最初由工業(yè)X射線CT掃描儀制造商和ORNL研究合作伙伴ZEISS授權(quán)。當(dāng)該軟件框架也被證明對核應(yīng)用有價(jià)值時(shí)，他并不感到驚訝。他一直設(shè)想它最終將用于從電池到電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的各種材料。

在核領(lǐng)域，Simurgh的應(yīng)用前景廣闊。它可以加速先進(jìn)或高溫氣體反應(yīng)堆、熔鹽反應(yīng)堆和小型模塊化反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料和燃料的開發(fā)和特性鑒定。目前，Ziabari正在訓(xùn)練Simurgh處理TRISO燃料顆粒和燃料在輻照后的3D X射線圖像，以便INL專家可以檢查輻照引起的膨脹、裂縫和外層分離。同時(shí)，ORNL核研究人員也在尋找機(jī)會使用該軟件來識別粒子和燃料形態(tài)中的缺陷和其他感興趣的特征。

值得一提的是，此次研究得到了美國能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室以及核能辦公室的大力支持。在這些項(xiàng)目的資助下，Simurgh不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，滿足了核應(yīng)用的嚴(yán)格要求。目前，ORNL和INL正在繼續(xù)探索Simurgh在評估輻照組件方面的應(yīng)用，例如田納西河谷管理局布朗渡口核電站暴露于輻射的3D打印燃料支架。這些部件自2021年以來一直在接受輻射，一旦停止運(yùn)行，將使用Simurgh對它們進(jìn)行評估，以重建X射線CT數(shù)據(jù)。

美國能源部位于橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的制造示范設(shè)施主任Ryan Dehoff對該技術(shù)的可靠性表示了高度認(rèn)可。他指出：“我們在核領(lǐng)域使用這套工具的事實(shí)，充分說明了該技術(shù)的質(zhì)量和可靠性。”