INL 研究人員使用 ORNL 軟件縮短 X 射線 CT 掃描時間，提高 3D 打印部件(如圖所示)的圖像精度。圖片來源：Bill Chuirazzi/INL，美國能源部

近日，美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)與愛達荷國家實驗室(INL)之間的合作取得了顯著進展。雙方攜手加速了對增材制造核部件的檢查流程，并將這一技術成功擴展至核燃料的檢查領域。

INL正在利用ORNL開發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打印下一代核反應堆的有前景金屬和合金。傳統上，核反應堆部件的新材料和制造技術的認證過程繁瑣且耗時，可能需要數十年時間。然而，此次合作有望大大加快新型反應堆的部署速度，使核能能夠繼續發揮其潛力，為社會提供豐富而可靠的能源。

ORNL所開發的算法原本旨在檢測增材制造的金屬部件，但現如今，這一算法正在被改編應用于檢查INL測試的輻照核燃料。INL衍射和成像小組負責人、儀器科學家Bill Chuirazzi表示，如果使用這種算法，放射性燃料的掃描時間將縮短90%，這將顯著提高工人的安全性和評估新材料的速度。他還強調，這一技術對核能領域的影響深遠，從長遠來看，將加快新核能理念從構思到電網實施的生命周期。

此次合作不僅加速了核領域的創新步伐，還對傳統核反應堆材料和技術的認證流程產生了重要影響。通過提升檢測能力，雙方將能夠加速先進反應堆設計的部署，更有效地滿足全球日益增長的能源需求。

在此次合作中，ORNL研發的Simurgh工具發揮了關鍵作用。該工具利用基于真實數據訓練的神經網絡，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行表征。現在，Simurgh已經顯著縮短了致密材料的掃描時間，并增強了缺陷檢測能力。這一進步為小型模塊化反應堆、高溫氣體反應堆等創新技術的研發鋪平了道路。

此外，Simurgh的實用性還在此次合作中得到了進一步擴展。研究人員計劃將其應用于檢查TRISO燃料顆粒是否存在輻照引起的缺陷等挑戰。通過利用該軟件識別這些先進燃料中的膨脹、裂縫和分離情況，可以支持下一代反應堆材料和燃料的鑒定工作。

INL 輻照材料特性實驗室的技術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，而縮短掃描時間可以減輕這一負擔。圖片來源：Bill Chuirazzi/INL，美國能源部

X射線計算機斷層掃描(CT掃描)是一種在醫療領域廣泛使用的技術，也可用于檢查3D打印物體的內部質量。然而，從多個角度掃描同一部件可能非常耗時且成本高昂。ORNL開發的Simurgh技術提供了一種有效的解決方案。該技術以神話中的有翼野獸命名，使用真實的訓練數據來訓練神經網絡，利用基于物理的模擬和計算機輔助設計，以比傳統方法更少的CT掃描重建更準確的圖像。現在，非常致密材料的掃描速度已經提高了12倍，檢測缺陷的能力也提高了四倍。

Simurgh技術最初由ORNL研究員Amir Ziabari和他的同事于2022年在美國能源部先進材料與制造技術辦公室(AMMTO)的領導下開發，用于3D打印金屬零件。此后，該技術的應用和性能在美國能源部核能辦公室的先進材料和制造技術項目(AMMT)下得到了擴展。通過這個跨領域項目，兩個實驗室的研究人員將Simurgh的優勢轉化為滿足核領域的嚴格要求，開辟了許多新的應用。

近期的研究合作始于INL在嘗試將缺陷與特定打印參數聯系起來時遇到的后勤挑戰。研究人員需要掃描30多個樣本才能識別圖案，但每次掃描都要花費30個小時。為了解決這個問題，Chuirazzi咨詢了ORNL的Ziabari，并獲得了使用其算法的授權。現在，包括準備工作在內，使用INL的設備掃描所需時間大約是掃描時間的15%，即一次掃描的時間可以完成三次掃描。

Chuirazzi意識到Simurgh的這些好處可以應用于另一項專注于核燃料的聯邦計劃下的不同核挑戰。INL研究人員通常會推遲檢查從核反應堆中取出的材料，以確保放射性充分消散，保護實驗室技術人員的安全。此外，重復XCT掃描過程中產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。而掃描時間越短，每次掃描的輻射劑量越少，等待時間越短，同時還能獲得更高質量的數據，并更快地向材料性能模型反饋信息。

ORNL 開發的軟件正在接受訓練，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的不斷發展，它已經在X射線CT成像領域鞏固了其地位，徹底改變了分析復雜組件的方法，提高了效率、成本效益和安全性。Ziabari表示，該工具最初由工業X射線CT掃描儀制造商和ORNL研究合作伙伴ZEISS授權。當該軟件框架也被證明對核應用有價值時，他并不感到驚訝。他一直設想它最終將用于從電池到電子產品等領域的各種材料。

在核領域，Simurgh的應用前景廣闊。它可以加速先進或高溫氣體反應堆、熔鹽反應堆和小型模塊化反應堆的結構材料和燃料的開發和特性鑒定。目前，Ziabari正在訓練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，ORNL核研究人員也在尋找機會使用該軟件來識別粒子和燃料形態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材料和制造技術辦公室以及核能辦公室的大力支持。在這些項目的資助下，Simurgh不斷擴大其應用范圍，滿足了核應用的嚴格要求。目前，ORNL和INL正在繼續探索Simurgh在評估輻照組件方面的應用，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，一旦停止運行，將使用Simurgh對它們進行評估，以重建X射線CT數據。

美國能源部位于橡樹嶺國家實驗室的制造示范設施主任Ryan Dehoff對該技術的可靠性表示了高度認可。他指出：“我們在核領域使用這套工具的事實，充分說明了該技術的質量和可靠性。”