根據3D科學谷的市場觀察, 國際上USNC透過粘結劑噴射3D列印技術製造核能領域的包覆燃料的基體和(或)包覆層的燃料元件。USNC的商用放射性同位素加熱器可以整合到著陸器和漫遊車等太空探索裝置中，使它們能夠在傳統熱源失效的寒冷條件下生存。此功能對於防止裝置和元件在 14 天的陰曆夜、月球永久陰影區域以及太陽能和化學電源效率低下或無法使用的其他地方凍結至關重要。
粘結劑噴射技術用於3D列印陶瓷材料的核反應材料儲存器
USNC
成就下一代核能反應堆
根據ACAM亞琛增材製造中心，3D列印-增材製造的發展趨勢朝向多維度的深化層面，面向量產應用，3D列印突破當前應用對經濟性要求的限制，嚮應用端深度延伸走向產業化的一條發展路徑是實現結構更加複雜的產品。
根據清華大學劉榮正副教授課題組在《科學通報》發表的評述文章“碳化物陶瓷材料在核反應堆領域應用現狀”，新一代核能系統要求所用的材料具備更好的力學效能、熱物理效能、抗輻照效能、耐蝕和抗熱震性等，碳化物陶瓷材料是重點研究物件。
陶瓷包括不同成分的組合，其中SiC-碳化矽陶瓷不僅具有優良的常溫力學效能，如高的抗彎強度、優良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦係數，而且高溫力學效能(強度、抗蠕變性等)是已知陶瓷材料中最佳的。熱壓燒結、無壓燒結、熱等靜壓燒結的材料，其高溫強度可一直維持到1600℃，是陶瓷材料中高溫強度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。別名金剛砂。
而關於碳化矽陶瓷的3D列印，在3D科學谷近期的分享中《專欄 l 聚焦鐳射熔覆-增材製造陶瓷的歷史、發展、未來》，《陶瓷、複合材料，深度透視粘結劑噴射3D列印技術的材料與應用發展》，討論了七種3D列印技術製造緻密、結構先進的陶瓷部件，並揭示了七種技術中的一種技術：粘結劑噴射3D列印在陶瓷方面的應用現狀與前景。這一技術正在獲得商業化突破，其落腳點之一正是發揮了陶瓷耐高溫特性的核能反應堆陶瓷元件的3D列印。
科研與商業化結合的核能元件研發與產業化
根據3D科學谷的市場觀察，總部位於西雅圖的 Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 已授權使用碳化矽等耐火材料為核反應堆 3D 列印元件的新方法。該方法由橡樹嶺國家實驗室開發，將粘結劑噴射 3D 列印技術與化學蒸汽滲透工藝相結合，能夠更有效地製造反應堆元件，並且更加複雜。
透過許可該方法，USNC 希望推動其開發和部署核能發電裝置的使命，這種裝置不僅安全、使用簡單，而且具有商業競爭力。
USNC 已授權 ORNL 的新型粘結劑噴射3D列印增材製造方法生產複雜的核反應堆元件
ORNL
核能發電是用鈾製成的核燃料在“反應堆”的裝置內發生裂變而產生大量熱能，再用處於高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發生器內產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶動發電機一起旋轉而發電，並透過電網輸送給消費者。核能發電是解決2050年全球達到二氧化碳排放為零的重要支柱，然而，在未來 30 年內，許多現有的核反應堆可能會退役，因為它們基於 70 年曆史的輕水技術。
為了解決這個問題，ORNL 正在領導轉型挑戰反應堆 (TCR)，並得到美國能源部 (DoE) 計劃的支援，以探索在美國更快、更便宜的核能分配，以降低製造成本和交貨時間並改進安全。作為該計劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 列印等技術建造核反應堆堆芯。2020 年，普渡大學在收到美國能源部 80萬美元的資助後，成為 TCR 計劃的主要貢獻者。因此，普渡大學正在開發一種人工智慧 (AI) 模型，以確保反應堆堆芯 3D 列印元件的核級質量。
TCR 計劃還見證了 ORNL 開發了自己的新型 3D 列印技術，專門用於生產核反應堆部件。該工藝結合了粘結劑噴射和陶瓷生產工藝，以更有效地製造複雜形狀的元件。該方法還可以列印高溫合金和難熔金屬，這些合金和難熔金屬由於耐高溫和耐降解，對核反應堆部件的安全執行至關重要。
自啟動 TCR 計劃以來，ORNL 的 3D 打印核反應堆元件已安裝在阿拉巴馬州田納西河谷管理局 (TVA) 的布朗斯費裡核電站。與核燃料供應商法馬通合作開發的四個 3D 列印燃料元件支架目前在工廠處於常規執行條件下。
燃燒元件支架 ORNL/DoE
在透過粘結劑噴射3D列印技術製造核能反應堆陶瓷元件方面，根據新協議，USNC獲得ORNL 的 3D 列印方法的授權，併為其先進的反應堆設計開發和部署元件。該公司還計劃將其業務擴充套件到東田納西州，以更接近 ORNL 的專業知識，同時擴大用於核能和工業應用的特種元件的生產。
USNC 使用碳化矽製造其核反應堆核心部件，碳化矽是一種據報道已被證明可以耐受輻射的耐高溫陶瓷。然而，用碳化矽加工反應器部件非常耗時且昂貴。ORNL 的增材製造方法將使 USNC 能夠更有效地使用碳化矽製造元件，同時實現所需的複雜形狀。USNC 的新試點燃料製造工廠將位於位於橡樹嶺的田納西科技園，距離 ORNL 的主園區只有幾分鐘的路程。透過此舉，該公司旨在繼續與 ORNL 合作並支援 TCR 計劃。
靠近實驗室及其世界一流的科學家和設施，使得USNC能夠輕鬆獲得反應堆核心技術和增材製造方面的專業知識，以及最新的輻射、燃料和材料研究，所有這些都有益於 USNC帶來安全、 可靠的核能元件。
理想照進現實的粘結劑噴射3D列印複雜陶瓷結構
根據3D科學谷的瞭解，核電是我國能源供應體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分。根據BP2021年報告，到2020年中國核能發電量達到366.2 TWh，佔全球總量的13.6%。2020年中國居世界第二位，僅次於美國30.8%。但是中國執行、在建和擬建反應堆數將超過美國。目前，我國核電行業-核電站運營企業的數量不多，因存在嚴格的行政准入門檻、資金門檻和技術門檻等，主要公司包括：中國廣核、中國核電、國家電投大唐發電等，中國已有自己的核能反應堆研發能力。
根據清華大學劉榮正副教授課題組在《科學通報》發表的評述文章“碳化物陶瓷材料在核反應堆領域應用現狀”，SiC-碳化矽材料的共價鍵極強，在高溫下仍能保持較高的鍵合強度，化學穩定性和熱穩定性好，高溫變形小，熱膨脹係數低，非常適合用於高溫環境中。SiC在核能系統中應用非常廣泛，主要有四方面的應用：一是作為包覆燃料顆粒的包覆層。二是發展SiCf/SiC複合包殼，代替鋯合金包殼使用。三是在氣冷快堆中用作基體材料。四是在熔鹽堆中作為結構材料使用。目前對SiC抗氧化效能提升的研究也在積極開展。
由於3D列印技術可以成就複雜的產品形狀並製造更加特殊的材料，研究和開發不同型別3D列印技術在核能領域的應用對中國核能的發展將變得越發重要。
粘結劑噴射技術的3D列印過程是透過噴射液體粘結劑將粉末選擇性地粘合在薄層中，一層一層的重複粘合過程。解析度受粉末尺寸或粘結劑液滴尺寸的限制，具體取決於哪個較大。透過使用小於 50 μm 的噴嘴孔口，可以實現粘結劑噴射技術的出色尺寸精度。粘結劑流變學和噴嘴幾何形狀在控制液滴大小方面起著重要作用。
根據3D科學谷的瞭解，粘結劑噴射技術製造碳化矽陶瓷的最近發展是使用具有單峰和雙峰粒度分佈的 SiC 原料粉末3D列印預製件。在惰性氣氛中，在高於 1410°C 的溫度下用熔融矽滲透列印的預製件，以形成 SiC-Si 複合材料。所有列印和試樣的密度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性都隨著 SiC 的體積分數而增加。使用雙峰原料粉末製造的試樣在所有測試的體積分數 SiC 下都具有更高的密度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性。與傳統成型相比，透過粘結劑噴射然後後處理形成的樣品具有相當的密度、彈性模量和彎曲強度，但較低斷裂韌性。
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