3D-Druck-Kernreaktoren zur Unterhaltung und Anreicherung

In den letzten Jahrzehnten ist die additive Fertigung , auch als 3D-Druck bekannt, in der Fertigung immer häufiger geworden. Erstens eignen sie sich gut für das Prototyping neuer Produkte - zwischen Entwicklung und Test vergeht wenig Zeit. Sie werden jedoch zunehmend bei der Herstellung von Warenmengen bis hin zu maßgeschneiderten Rümpfen und sogar Raketentriebwerkskomponenten eingesetzt.



Der offensichtliche Vorteil additiver Technologien besteht darin, dass sie unspezifische Geräte und gängige Materialien als Ressourcen verwenden, keine teuren Formen wie Spritzguss benötigen und keinen langen und verschwenderischen Bearbeitungsprozess auf Fräsmaschinen und ähnlichen Maschinen erfordern. Bei der gesamten Produktion geht es darum, ein 3D-Modell und ein oder mehrere Eingabematerialien in die Eingabe des Druckgeräts einzuspeisen - und dieses Gerät verwandelt das 3D-Modell in ein physisches Objekt mit sehr wenig Abfall.



Diese Vorteile wurden in der Nuklearindustrie nicht übersehen. Infolgedessen werden auf 3D-Druckern verschiedene Komponenten hergestellt - von solchen, die die Funktionsfähigkeit bestehender Reaktoren unterstützen, bis hin zu Werkzeugen zur Behandlung abgebrannter Brennelemente und sogar ganzer Kernreaktoren.

Dies ist nicht Ihre übliche Modellierung der verschmolzenen Abscheidung

Jeder, der einen 3D-Drucker verwendet, der mit PLA, ABS oder UV-empfindlichem SLA-Harz arbeitet, kann bestätigen, dass die Kosten für die Herstellung von Artikeln auf diese Weise kaum zu übertreffen sind. Der Produktionsprozess von einem kaputten Zahnrad im Motor bis zum Sonderfall einer neuen Leiterplatte ist schneller und billiger als bei herkömmlichen - wenn es um die Erstellung einer kleinen Anzahl von Kopien geht.





Der Relativitätsraum druckt die Aeon Engine



Genau aus diesem Grund ist die Luft- und Raumfahrtindustrie, von der NASA bis zu Start-ups in diesem Bereich, begeistert von der Verwendung additiver Technologien für das Prototyping und die Produktion selbst. Raketentriebwerke und ihre unzähligen Komponenten, einschließlich Turbopumpen und Ventile, werden idealerweise in 3D gedruckt. Jedes Prototyp-Triebwerk unterscheidet sich vom vorherigen und wird insgesamt mehrere hundert pro Jahr produziert - wie dies beim Merlin 1D-Triebwerk der SpaceX Falcon 9-Rakete der Fall ist . Startups, insbesondere Relativity Space , deuten darauf hin, dass der Einsatz additiver Technologien die Raumfahrtindustrie vollständig verändern wird.



Hier geht es natürlich nicht um einen Drucker im Wert von bis zu 2000 US-Dollar, der mit FDM-Technologie hergestellt wird (Modellierung der Schmelzabscheidung) PLA- oder ABS-Teile. Und nicht einmal über modische SLA-Drucker ( Laser-Stereolithographie ), die ein Auto kosten. Zum Drucken von Aluminium- oder sogar Titanteilen benötigen Sie einen SLM-Drucker ( selektives Laserschmelzen ), der auch ein direkter Laser-Metallschmelzdrucker ist. Dies ist ein weiterer Schritt nach SLS-Druckern ( Selective Laser Sintering ), die Materialien (Nylon, Metall, Keramik oder Glas) miteinander verbinden, aber nicht schmelzen.



SLM ähnelt SLA, nur das Druckprinzip ist umgekehrt. Über das bedruckte Teil wird frisches Metallpulver gegeben, der Laser schmilzt es und fügt eine neue Schicht hinzu. Alles findet in einem luftdichten Behälter statt, der mit einem Inertgas gefüllt ist, um Oxidation zu verhindern. Sie können sich vorstellen, dass die Autos für den SLM bereits wie ein ganzes Haus sind.



Zum Vergleich enthält die All3DP-Website eine solche Platte, auf der die Kosten für die Herstellung eines Standard-Benchy-Bootsmodells beim Drucken aus verschiedenen Metallen aufgeführt sind.

Kernreaktor

Der nächste natürliche Schritt für die additive Technologie wird darin bestehen, von der Hitzehölle des Raketentriebwerks in die leisere - wenn auch möglicherweise radioaktivere - Umgebung eines Kernreaktors zu gelangen. Kernreaktoren sind rentabel, wenn sie in großen Mengen hergestellt werden und dann Skaleneffekte erzielt werden. In den letzten Jahrzehnten beispielsweise ist dieser Markt in den USA praktisch verschwunden, obwohl er zuvor ziemlich umfangreich war.



Als die ehemaligen Atomgiganten wieder ins Spiel kommen wollten - die USA mit dem AP1000 und Frankreich mit dem EPR- Es stellte sich heraus, dass in China (mit einer starken Atomindustrie) genau dieselben Kernkraftwerke gebaut wurden. 4 AP1000-Reaktoren und 2 EPR-Reaktoren wurden viele Jahre an das Netz angeschlossen, bevor die Länder, die sie entwickelten, planten, sie zu bauen und anzuschließen. Ironischerweise sind die Kühlpumpen des in den USA hergestellten AP1000 einem ständigen Ausfall ausgesetzt .



Das Problem eines bedeutenden Infrastrukturprojekts ist die Verfügbarkeit der erforderlichen Wissens- und Lieferketten. Wenn ein Land regelmäßig Kernkraftwerke baut und wartet, unterhält es sowohl die Lieferkette als auch die für die Zusammenarbeit erforderlichen Spezialisten. Wenn ein Land für mehrere Jahrzehnte den Bau neuer Kernkraftwerke einstellt, verschwinden die Lieferketten und das Wissen geht verloren. Natürlich können Sie die gesamte Produktion neu aufbauen und Menschen anziehen, aber es ist sinnvoll, effektivere Ansätze für die Produktion solcher Geräte in Betracht zu ziehen.



Bei einem Versuch der Vereinigten Staaten, Länder wie Kanada einzuholen, belegte Russland [weltweit den ersten PlatzIn Bezug auf die Anzahl der im Bau befindlichen KKW] und Südkorea hat das US-Energieministerium das Oak Ridge National Laboratory damit beauftragt, das Transformational Challenge Reactor (TCR) -Programm zu leiten. Das Programm sollte "einen revolutionären Ansatz für den Einsatz neuer Kernenergiesysteme demonstrieren". Ziel des Projekts ist es, so viele Mikroreaktoren wie möglich auf 3D-Druckern zu drucken, um die Möglichkeiten der additiven Technologien zu demonstrieren.

Arbeiten Sie an den Details

In Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory (ANL) und dem Idaho National Laboratory (INL) arbeitet ORNL an den vielen Details, die mit einer solch radikalen Änderung des Herstellungsprozesses verbunden sind, unter Berücksichtigung der gestiegenen Anforderungen an Materialien, die in einem Kernreaktor verwendet werden. Es werden Fragen zur Wärmeverformung und Ermüdung von Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen aufgeworfen. Einige der Ergebnisse dieser Studien werden in neuen Arbeiten beschrieben , die eine Vorstellung davon geben können, wie viel Arbeit in die Erforschung der Realisierbarkeit eines solchen Ansatzes investiert wurde.



ANL hat bereits die Entdeckungen veröffentlicht, die während des SLM-Drucks mit Hochgeschwindigkeits-Röntgenbildern gemacht wurden, wodurch wir den Prozess im Detail untersuchen können. Eines der Hauptprobleme, das sie fanden, betrifft den erzwungenen Luftstrom, der kälteres Material in die geschmolzene Masse saugt. Infolgedessen führen diese kalten Materialstücke zu Fehlern im fertigen Produkt.



In der TCR-ProjektfaktenlisteEs wird beschrieben, dass der Mikroreaktor TRISO-Brennstoffpartikel (Urannitrid), einen Yttriumhydrid-Neutronenmoderator und einen auf einem 3D-Drucker gedruckten Kern aus Siliziumkarbid und Edelstahl verwenden muss. Der Reaktor wird mit Helium gekühlt, was ziemlich einzigartig ist, da die meisten modernen Reaktoren Wasser, schweres Wasser oder Natrium zum Kühlen verwenden.



Da das TCR-Programm noch recht jung ist (die erste Veröffentlichung stammt aus dem Jahr 2019), ist es schwierig, seine Fortschritte zu beurteilen oder zu verstehen, was von ihm zu erwarten ist. Dazu können wir bewerten, was bereits bei der Integration additiver Technologien in die Nuklearindustrie geschehen ist.

Integration additiver Technologien in die Nuklearindustrie

Bisher werden relativ einfache Komponenten auf einem 3D-Drucker für Kernreaktoren gedruckt. 2017 ersetzte Siemens ein 108-mm-Laufrad in einer Feuerlöschpumpe im slowenischen Kernkraftwerk Krško durch eine 3D-gedruckte Kopie. Der ursprüngliche Pumpenhersteller hat bereits seit der Installation der Pumpe im Jahr 1980 abgeschaltet.



Westinghouse arbeitet ebenfalls in diese Richtung und hat kürzlich eine 3D-gedruckte Kupplung am ersten Byron-Kernkraftmodul installiert . Dieses Gerät hält die Brennstäbewährend sie in den Reaktor sinken. Eines der Hauptmotive für die Installation ist der Wunsch zu verstehen, wie sich die Umgebung eines Kernreaktors auf Materialien auswirkt, die auf einem 3D-Drucker gedruckt werden, und ob es einen Unterschied zu Komponenten gibt, die auf die übliche Weise hergestellt werden.

Fassen wir zusammen

Es ist klar, dass der 3D-Druck in der Fertigung eine vielversprechende Zukunft hat. In der Nuklearindustrie bietet es nicht nur eine gute Möglichkeit, Ersatzteile für Reaktoren herzustellen, die älter als 60 Jahre sind, von denen mehr als die Hälfte bereits die Produktion eingestellt oder geändert hat. Zusammen mit vielen anderen neuen Fertigungstechnologien bietet es auch aufregende neue Möglichkeiten für die nächste Generation von Kernreaktoren, sei es Fusions- oder Spaltreaktoren.



Sie hat viele offensichtliche Vorteile - das Prototyping neuer Reaktoren und Konzepte zu beschleunigen, die Funktion von Reaktoren in abgelegenen Siedlungen und zukünftigen Kolonien auf dem Mond und dem Mars sicherzustellen, ohne sich auf eine komplexe Lieferkette verlassen zu müssen. Nicht zuletzt geht es um die Kosten - die Herstellung eines Reaktors nach dieser Methode sollte viel billiger sein und möglicherweise die Herstellung und Montage von Reaktoren direkt vor Ort ermöglichen.



All dies ist natürlich nicht sehr interessant für Menschen, die keinen Zugang zu SLM-Druckern haben - aber wer weiß, vielleicht werden wir in zehn Jahren alle unsere eigenen Raketentriebwerke und Komponenten von Fusionsreaktoren zu Hause drucken.