3D 打印 CFRP 模具赋能核反应堆生物屏蔽层建造，重塑核电工程效率新标杆

2024 年 7 月，美国加利福尼亚州阿拉米达市的凯罗斯电力公司（Kairos Power）在田纳西州橡树岭启动了赫尔墨斯低功率示范反应堆（Hermes Low-Power Demonstration Reactor）的建设工程。这座未来几年内将完工的设施，不仅是该公司氟化物盐冷却高温反应堆（KP-FHR）核裂变技术的关键试验平台，其建设过程中积累的经验还将为同一地点后续更大规模的赫尔墨斯 2 号反应堆（Hermes 2）建造提供重要参考。2025 年 5 月，该项目进入核安全相关组件的施工阶段，其中一项核心挑战便是打造一座高 42 英尺、结构复杂的混凝土屏蔽结构 ——"生物屏蔽层"（bioshield），它将环绕反应堆容器，在运行期间为工作人员提供辐射防护。

突破传统：模块化设计与 3D 打印技术的创新融合

传统核反应堆的混凝土生物屏蔽层多为整体现浇结构，形状以圆形或方形为主。凯罗斯电力为赫尔墨斯示范反应堆设计的生物屏蔽层则采用模块化理念，通过将整体结构拆分为多个组件，大幅简化施工流程。该屏蔽层由四根角柱支撑，四根混凝土面板通过锯齿形接缝连接，这种特殊接缝设计能有效防止辐射从缝隙泄漏，兼顾了结构稳定性与核安全防护要求。

凯罗斯电力首席技术官兼联合创始人爱德华・布兰福德（Edward Blandford）表示："长期以来，凯罗斯一直致力于探索加速核电建设的方法，但在核电行业中，找到高效经济的建厂方式始终是一大挑战。" 为实现这一目标，凯罗斯电力最初将目光投向预制混凝土技术，希望以此缩短现场安装时间，并与美国佛罗里达州杰克逊维尔市的盖特预制混凝土公司（Gate Precast Co.）展开沟通。盖特预制混凝土公司数年前完成的一个项目引起了凯罗斯电力的关注 —— 该公司为纽约布鲁克林一座高层建筑打造了一系列几何形状复杂的预制混凝土窗立面，其模具并未采用传统木材，而是与美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）制造示范设施（MDF）合作开发的 3D 打印碳纤维增强复合材料模具。

巧合的是，橡树岭国家实验室的制造示范设施距离赫尔墨斯反应堆选址仅 15 分钟车程，盖特预制混凝土公司顺势促成了凯罗斯电力与橡树岭国家实验室的合作。"我们深入了解了盖特与橡树岭国家实验室的合作成果，发现其中蕴含着巨大价值。" 布兰福德指出，"如果只是制造简单的立方体结构，3D 打印并非高效之选，传统金属或木质模具即可满足需求。但橡树岭国家实验室开发的技术能够快速生产出传统工艺难以制造的复杂几何结构，这正是我们所需要的核心优势。" 更重要的是，橡树岭国家实验室在大尺寸碳纤维复合材料 3D 打印领域的早期研究已大幅降低技术风险，凯罗斯电力得以直接将其应用于特定场景。