Atom z drukarki 3D

20 maja 2020, 15:45 Alert
PENTAX Image
Elektrownia jądrowa

Drukarki 3D produkują części do elektrowni jądrowych już od kilku lat, twierdzi James Conca, naukowiec od 33 lat działający w obszarze nauk o Ziemi i środowisku – czytamy w amerykańskim Forbesie.

W 2017 roku Siemens osiągnął przełom w branży dzięki pierwszej udanej instalacji i kontynuowaniu bezpiecznej eksploatacji w elektrowni jądrowej części drukowanej 3D. Był to wirnik pompy wodnej systemu przeciwpożarowego w EJ Krško w Słowenii, którego pierwotny producent już nie istniał i jedynym sposobem rekonstrukcji wadliwej części było skopiowanie oryginału i jego druk 3D. Ze względu na surowe wymagania w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności w sektorze jądrowym było to niesamowite osiągnięcie, ponieważ elementy stosowane w elektrowniach jądrowych muszą być solidne, niezawodne, odporne na wysokie temperatury i przechodzić przez większą liczbę regulacji i kontroli jakości niż w jakimkolwiek innym przemyśle.

Druk 3D, znany również, jako wytwarzanie addytywne (przyrostowe) – to technika produkcji obiektów trójwymiarowych na podstawie ich komputerowych modeli, która polega na łączeniu kolejnych warstw materiału. W porównaniu do metody ubytkowej, w której materiał usuwa się na przykład przez skrawanie, szlifowanie albo wiercenie, ma ona wiele zalet. Są to przede wszystkim mniejsze straty materiałowe, większa elastyczność produkcji oraz łatwość wykonania przedmiotów o skomplikowanych kształtach.

Wytwarzanie addytywne to innowacyjna technika, która upraszcza proces produkcji, przechodząc bezpośrednio od modeli 3D do rzeczywistych części. Technologia ta zmniejsza koszty, poprawia jakość i elastyczność projektowania oraz eliminuje konwencjonalne ograniczenia produkcyjne.

Projektowanie i drukowanie 3D oferuje opcje jakości i oszczędności, zwłaszcza przy produkcji części zamiennych, a także tworzenie prototypów, które zwykle wymagają ogromnych kosztów w celu założenia nowych linii produkcyjnych. Zmiany w druku 3D to tylko niewielkie zmiany w oprogramowaniu.

Produkcja addytywna ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia energetyki bezemisyjnej, w tym energetyki jądrowej.

GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) jest ważnym pionierem w tej dziedzinie. GEH jest w stanie napromieniować elementy wydrukowane w 3D w celu przetestowania i porównania ich z tradycyjnymi częściami w całym szeregu warunków. Koncern będzie stosować druk 3D, aby zminimalizować ilość odpadów i skrócić czas produkcji o 90 procent.

Druk 3D znany jest z tworzenia modeli w skali i innych nowości (oraz bardziej złowrogich przedmiotów np. pistoletów). Możesz nawet mieć drukarkę 3D w domu. Technologia została po raz pierwszy zastosowana w latach 80. XX wieku, a w ciągu ostatnich 10 lat spowodowała rewolucję w produkcji niemal wszystkiego. Dziś możemy drukować za pomocą czegoś więcej niż tylko plastiku i gumy. Możemy drukować na metalach i innych materiałach, takich jak różne zaawansowane technologicznie kompozyty.

Nic więc dziwnego, że trafił on do przemysłu jądrowego. Najbardziej obiecującym zastosowaniem jest opracowywanie mikroreaktorów, bardzo małych reaktorów jądrowych, zwykle o mocach mniejszych niż 10 MWe, które zmieszczą się na przyczepie ciągnika siodłowego.

Oak Ridge National Laboratory (ORNL), we współpracy z laboratorium Marynarki Wojennej Disruptive Technology Lab, właśnie stworzyło pierwszy zanurzalny kadłub wyprodukowany w technologii druku 3D z kompozytów włókna węglowego dla US Navy i jest mniej więcej tego samego rozmiaru co mikroreaktor.

Tradycyjny podwodny kadłub kosztuje od 600000 do 800000 USD, a jego produkcja zajmuje kilka miesięcy. Ten kadłub wyprodukowany addytywnie został wykonany za mniej niż 100 tys. USD i zajęło to kilka tygodni – dziesięciokrotna oszczędność kosztów i czasu. A zmiany między kolejnym drukowaniem są łatwe do przeprowadzenia, więc nie trzeba masowej produkcji, aby uzyskać tradycyjne oszczędności wynikające z jej dużej skali.

Wewnętrzne elementy mikroreaktora mogą być bardzo złożone. Duże doświadczenie w drukowaniu 3D posiada przemysł lotniczy, który wytwarza tą technologią złożone elementy silnika odrzutowego w krótszym czasie i przy niższych kosztach niż za pomocą metod konwencjonalnych. Wymiana wycofanych części stanowi wyzwanie dla elektrowni jądrowych, a drukarki 3D mogłyby zostać wykorzystane do produkcji takich części zamiennych.

Ale najbardziej interesującą jak dotąd rzeczą byłoby wydrukowanie w technologii 3D rdzenia reaktora jądrowego. I właśnie robią to naukowcy z ORNL. Wydrukowanie rdzenia byłoby zapowiedzią fundamentalnych zmian w amerykańskim przemyśle jądrowym, zmniejszając koszty i czas budowy obiektów nowej generacji.

– Przemysł jądrowy jest nadal ograniczony w myśleniu o tym, jak projektujemy, budujemy i wdrażamy technologię energii jądrowej – mówi dyrektor ORNL Thomas Zacharia cytowany przez Forbesa.

Części drukowane w 3D trafiły już do elektrowni jądrowych, a zaawansowane reaktory testowe wykorzystują drukowanie 3D do produkcji kapsuł testowych. Firma Westinghouse Electric Company z powodzeniem zainstalowała urządzenie zaślepiające wydrukowane na drukarce 3D. Urządzenie to jest wykorzystywane w reaktorach jądrowych, aby pomóc umieścić zespoły paliwowe w rdzeniu reaktora jądrowego, i zostało zainstalowane w bloku nr 1 elektrowni jądrowej Byron w Illinois podczas przeładunku paliwa na początku maja tego roku.

– Produkcja przyrostowa jest ekscytującym nowym rozwiązaniem dla przemysłu jądrowego- powiedział Ken Petersen, wiceprezes ds. paliw jądrowych w Exelon Generation – właściciela i operatora EJ Byron. – Takie uproszczone podejście pomaga zaspokoić zapotrzebowanie branży na szeroką gamę komponentów instalacji jądrowych o krytycznym znaczeniu, które występują w niewielkich ilościach. Jesteśmy dumni z tego, że Westinghouse jest naszym partnerem przy realizacji ważnego etapu wdrażania tej technologii w branży jądrowej i pomaga wykazać jej dalszą opłacalność.

Westinghouse chce zostać pierwszą firmą, która zainstaluje drukowany w 3D komponent elementu paliwowego w komercyjnym reaktorze jądrowym, obniżając cenę materiałów i elementów drukowanych w 3D. Firma wykorzystuje już druk 3D do wykonywania form, wsporników i obudów łożysk do silników elektrycznych.

Większe elementy, takie jak zbiorniki ciśnieniowe do małych reaktorów modułowych, mogłyby wykorzystywać zaawansowane metody, w tym drukowanie 3D, metalurgię proszkową w procesie prasowania izostatycznego na gorąco (prasowanie proszku metalu w bryłę) oraz spawanie wiązką elektronów (spawanie na poziomie molekularnym). Wszystko to zmniejsza koszty i czas produkcji.

Ostatni raport NEI z maja 2019 roku na temat zaawansowanych metod produkcji (AMM) wykazał, że istnieje 16 takich metod, które najbardziej interesują przemysł jądrowy do produkcji komponentów elektrowni jądrowych, a w śród nich druk 3D zajmuje pierwszą pozycję. Mają one potencjał przekształcenia przemysłu jądrowego poprzez szybsze i tańsze wytwarzanie komponentów wysokiej jakości oraz poprawę wydajności obecnych elektrowni i zaawansowanych reaktorów. AMM można również wykorzystać do szybkiego dostarczania części zamiennych do przestarzałych konstrukcji i do zmniejszania zapasów magazynowych.

Szwedzkie firmy drukujące 3D Additive Composite i Add North 3D wraz z Uniwersytetem w Uppsali opracowały i wypuściły na rynek nowe włókno kompozytowe z węglika boru odpowiednie do zastosowań w osłonach przed promieniowaniem. Materiał dostępny pod nazwą handlową Addbor N25 składa się z węglika boru i matrycy ko-poliamidowej.

Węglik boru jest jednym z najtwardszych znanych materiałów i dlatego był stosowany w wielu ekstremalnych zastosowaniach, takich jak pancerz czołgów i kamizelki kuloodporne. Materiał nadaje się również dobrze do zastosowań w ekranowaniu przeciw promieniowaniu jądrowemu ze względu na jego wysoką absorpcję neutronów.

Podobnie jak wszystkie inne branże, energetyka jądrowa przenosi się w przyszłość dzięki nowym procesom, takim jak drukowanie 3D, nowym materiałom i nowym zastosowaniom. Wydrukowany mikroreaktor zasilający za kilka dekad kolonię na Marsie to dopiero początek.

Forbes