INL 研究人员使用 ORNL 软件缩短 X 射线 CT 扫描时间，提高 3D 打印部件(如图所示)的图像精度。图片来源：Bill Chuirazzi/INL，美国能源部
近日，美国能源部下属的橡树岭国家实验室(ORNL)与爱达荷国家实验室(INL)之间的合作取得了显著进展。双方携手加速了对增材制造核部件的检查流程，并将这一技术成功扩展至核燃料的检查领域。
INL正在利用ORNL开发的软件算法来检查增材制造部件中的缺陷，这是为了识别可用于3D打印下一代核反应堆的有前景金属和合金。传统上，核反应堆部件的新材料和制造技术的认证过程繁琐且耗时，可能需要数十年时间。然而，此次合作有望大大加快新型反应堆的部署速度，使核能能够继续发挥其潜力，为社会提供丰富而可靠的能源。
ORNL所开发的算法原本旨在检测增材制造的金属部件，但现如今，这一算法正在被改编应用于检查INL测试的辐照核燃料。INL衍射和成像小组负责人、仪器科学家Bill Chuirazzi表示，如果使用这种算法，放射性燃料的扫描时间将缩短90%，这将显著提高工人的安全性和评估新材料的速度。他还强调，这一技术对核能领域的影响深远，从长远来看，将加快新核能理念从构思到电网实施的生命周期。
此次合作不仅加速了核领域的创新步伐，还对传统核反应堆材料和技术的认证流程产生了重要影响。通过提升检测能力，双方将能够加速先进反应堆设计的部署，更有效地满足全球日益增长的能源需求。
在此次合作中，ORNL研发的Simurgh工具发挥了关键作用。该工具利用基于真实数据训练的神经网络，通过更少的X射线扫描即可重建图像，从而更快地对核部件和材料进行表征。现在，Simurgh已经显著缩短了致密材料的扫描时间，并增强了缺陷检测能力。这一进步为小型模块化反应堆、高温气体反应堆等创新技术的研发铺平了道路。
此外，Simurgh的实用性还在此次合作中得到了进一步扩展。研究人员计划将其应用于检查TRISO燃料颗粒是否存在辐照引起的缺陷等挑战。通过利用该软件识别这些先进燃料中的膨胀、裂缝和分离情况，可以支持下一代反应堆材料和燃料的鉴定工作。
INL 辐照材料特性实验室的技术人员必须小心地将放射性样品放入测试室，以减少辐射暴露，而缩短扫描时间可以减轻这一负担。图片来源：Bill Chuirazzi/INL，美国能源部
X射线计算机断层扫描(CT扫描)是一种在医疗领域广泛使用的技术，也可用于检查3D打印物体的内部质量。然而，从多个角度扫描同一部件可能非常耗时且成本高昂。ORNL开发的Simurgh技术提供了一种有效的解决方案。该技术以神话中的有翼野兽命名，使用真实的训练数据来训练神经网络，利用基于物理的模拟和计算机辅助设计，以比传统方法更少的CT扫描重建更准确的图像。现在，非常致密材料的扫描速度已经提高了12倍，检测缺陷的能力也提高了四倍。
Simurgh技术最初由ORNL研究员Amir Ziabari和他的同事于2022年在美国能源部先进材料与制造技术办公室(AMMTO)的领导下开发，用于3D打印金属零件。此后，该技术的应用和性能在美国能源部核能办公室的先进材料和制造技术项目(AMMT)下得到了扩展。通过这个跨领域项目，两个实验室的研究人员将Simurgh的优势转化为满足核领域的严格要求，开辟了许多新的应用。
近期的研究合作始于INL在尝试将缺陷与特定打印参数联系起来时遇到的后勤挑战。研究人员需要扫描30多个样本才能识别图案，但每次扫描都要花费30个小时。为了解决这个问题，Chuirazzi咨询了ORNL的Ziabari，并获得了使用其算法的授权。现在，包括准备工作在内，使用INL的设备扫描所需时间大约是扫描时间的15%，即一次扫描的时间可以完成三次扫描。
Chuirazzi意识到Simurgh的这些好处可以应用于另一项专注于核燃料的联邦计划下的不同核挑战。INL研究人员通常会推迟检查从核反应堆中取出的材料，以确保放射性充分消散，保护实验室技术人员的安全。此外，重复XCT扫描过程中产生的辐射也会对探测器造成磨损，限制其使用寿命和图像精度。而扫描时间越短，每次扫描的辐射剂量越少，等待时间越短，同时还能获得更高质量的数据，并更快地向材料性能模型反馈信息。
ORNL 开发的软件正在接受训练，以处理辐照 TRISO 核燃料的 X 射线 CT 图像，这些图像类似于此处看到的微小颗粒。图片来源：Mark Richardson/INL，美国能源部
随着Simurgh的不断发展，它已经在X射线CT成像领域巩固了其地位，彻底改变了分析复杂组件的方法，提高了效率、成本效益和安全性。Ziabari表示，该工具最初由工业X射线CT扫描仪制造商和ORNL研究合作伙伴ZEISS授权。当该软件框架也被证明对核应用有价值时，他并不感到惊讶。他一直设想它最终将用于从电池到电子产品等领域的各种材料。
在核领域，Simurgh的应用前景广阔。它可以加速先进或高温气体反应堆、熔盐反应堆和小型模块化反应堆的结构材料和燃料的开发和特性鉴定。目前，Ziabari正在训练Simurgh处理TRISO燃料颗粒和燃料在辐照后的3D X射线图像，以便INL专家可以检查辐照引起的膨胀、裂缝和外层分离。同时，ORNL核研究人员也在寻找机会使用该软件来识别粒子和燃料形态中的缺陷和其他感兴趣的特征。
值得一提的是，此次研究得到了美国能源部先进材料和制造技术办公室以及核能办公室的大力支持。在这些项目的资助下，Simurgh不断扩大其应用范围，满足了核应用的严格要求。目前，ORNL和INL正在继续探索Simurgh在评估辐照组件方面的应用，例如田纳西河谷管理局布朗渡口核电站暴露于辐射的3D打印燃料支架。这些部件自2021年以来一直在接受辐射，一旦停止运行，将使用Simurgh对它们进行评估，以重建X射线CT数据。
美国能源部位于橡树岭国家实验室的制造示范设施主任Ryan Dehoff对该技术的可靠性表示了高度认可。他指出：“我们在核领域使用这套工具的事实，充分说明了该技术的质量和可靠性。”
