Обзор приложений:как 3D-печать поддерживает инновации в атомной энергетике

3D-печать - это захватывающая технология, которая может внести значительные инновации как для действующих, так и для будущих атомных станций.

Несмотря на то, что атомная промышленность имеет репутацию невероятно консервативной, она постепенно внедряет 3D-печать, чтобы изучить свои возможности для запасных частей и деталей для современных атомных станций.

В этой статье рассматриваются факторы, лежащие в основе внедрения 3D-печати в ядерной промышленности, и исследуются наиболее интересные разработки, происходящие в этой области.

Взгляните на другие приложения, рассматриваемые в этой серии:

3D-печать теплообменников

3D-печать подшипников

3D-печать для производства велосипедов

3D-печать для цифровой стоматологии и производства прозрачных элайнеров

3D-печать медицинских имплантатов

3D-печатные ракеты и будущее производства космических аппаратов

3D-печать для производства обуви

3D-печать электронных компонентов

3D-печать в железнодорожной отрасли

Очки с 3D-печатью

3D-печать для производства готовой продукции

3D-печать для скоб

3D-печать деталей турбин

Как 3D-печать делает гидравлические компоненты более производительными

Зачем использовать 3D-печать для деталей атомных станций?

Атомная промышленность переживает непростые времена. Рынок нового строительства больших реакторов останавливается, поскольку затраты, связанные с этими инвестициями, продолжают расти, в то время как стоимость других источников энергии падает.

Кроме того, с большими реакторами есть несколько проблем, связанных с их сложным строительно-монтажным, правилам техники безопасности, ремонту и прочим дорогостоящим рискам.

В то же время наблюдается всплеск вывода из эксплуатации атомных электростанций. Большое количество ядерных объектов прекратили работу, и ожидается, что это число значительно увеличится в ближайшие годы.

Одним из путей развития ядерной энергетики может стать создание малых ядерных реакторов, которые преодолевают многие недостатки традиционных реакторов большей мощности. Ожидается, что эти системы, получившие название малых модульных реакторов (SMR), значительно сократят сроки строительства и сделают атомную энергетику более доступной для строительства и эксплуатации.

Производство SMR требует новых подходов к проектированию и производству деталей реактора. , например, улучшенная производительность деталей, более компактный размер, лучшее управление нагревом и более короткое время выполнения заказа.

И здесь 3D-печать выходит на первый план.

3D-печать, или аддитивное производство (AM), известна своей гибкостью дизайна, которая открывает множество возможностей для производителей ядерных компонентов.

Гибкость конструкции и устранение необходимости в инструментах позволяют объединять детали - процесс, при котором несколько компонентов могут быть спроектированы и напечатаны как одно целое.

Кроме того, возможны более сложные геометрические формы. с помощью 3D-печати позволяют получить детали более компактных размеров и, как следствие, повысить их производительность.

Примером этого являются напечатанные на 3D-принтере теплообменники, которые могут иметь толщину стенок до 200 микрон и небольшие замысловатые проточные каналы внутри компонента, что приводит к увеличению внутренней поверхности теплообмена. Чем больше площадь поверхности, тем больше тепла можно отвести, что увеличивает производительность теплообменника.

Технологии 3D-печати для атомной энергетики

Существует несколько технологий AM, подходящих для применения в атомной энергетике, в том числе термоядерный синтез в порошковом слое (PBF), струйная обработка металлов и песка и прямое нанесение энергии (DED).

С помощью сплавления в порошковой подложке, процесса, который включает плавление материала с использованием мощных лазеров, производители могут создавать более сложные компоненты с улучшенными характеристиками.

Использование струйной обработки связующего, особенно песка, может помочь сэкономить средства и время за счет 3D-печати песчаных форм и, следовательно, избавить от необходимости создавать эти формы вручную.

Технология DED, которая работает путем плавления металлического материала с помощью лазера или электронного луча, когда он наносится через сопло на строительную платформу, может использоваться как альтернатива крупным отливкам и поковкам, или как дополнение к ним. Этот процесс может сократить время выполнения заказа, уменьшить количество отходов обработки и материалов.

Некоторые процессы DED также обеспечивают улучшенные свойства материала по сравнению с традиционными методами. Например, их можно использовать для локальной настройки материалов, таких как наплавки для защиты от коррозии и износа.

Технология также подходит для ремонта дорогостоящих компонентов, инструментов и опорных поверхностей.

Ключевые приложения 3D-печати в атомной энергетике

Запасные части

С возрастом атомных станций становится все труднее найти запасные части, не в последнюю очередь потому, что их конструкции практически невозможно получить. Например, в США многим атомным станциям более 40 лет, и многие компании, производившие оригинальные детали, больше не существуют.

3D-печать позволяет производить некоторые недостающие запасные части с помощью обратного инжиниринга, поэтому нет необходимости создавать формы с нуля.

Например, Hydro Inc., компания, занимающаяся разработкой и обслуживанием насосов, использовала обратный инжиниринг для проектирования и 3D-печати песчаной формы для рабочего колеса, используемого на ядерной установке. Затем форма была отправлена ​​на литейный завод, где они разлили металл для создания компонента.

В другом примере Hydro использовала комбинацию для ремонта безопасного насоса на атомной станции. Деталь не могла быть получена от OEM-производителя в сроки, требуемые заказчиком, поскольку традиционный процесс литья мог занять от девяти месяцев до года. Используя 3D-печать и реверс-инжиниринг, компания поставила насос в течение 12 недель.

Помимо форм, напечатанных на 3D-принтере, эта технология также может использоваться для непосредственного производства запасных частей.

В 2017 году компания Siemens достигла важной вехи, успешно установив первую запчасть, напечатанную на 3D-принтере, для атомной электростанции Кршко в Словении. Запасная часть - металлическое рабочее колесо диаметром 108 мм для постоянно работающего противопожарного насоса - отвечает строгим требованиям безопасности и надежности в ядерной сфере.

Использование 3D-печати для запасных частей на объектах атомной энергетики позволяет зрелым действующим станциям продолжать работу и достичь полного ожидаемого срока службы.

Дополнительные компоненты

Также повышенное внимание уделяется разработке передовых компонентов для ядерно-энергетических систем с использованием 3D-печати.

Например, NovaTech, компания, предоставляющая производственные и инженерные услуги для ядерной отрасли, использует 3D-печать для разработки и производства частей сборки ядерного топлива, которая составляет базовый элемент активной зоны ядерного реактора.

Некоторые из компонентов топливной сборки, которые можно использовать с 3D-печатью, включают нижние сопла, прижимные пружины, верхние сопла, нижние стяжные пластины реактора с кипящей водой (BWR).

Исследование NovaTech показывает, что, например, 3D-печать нижней соединительной пластины топливной сборки BWR, которая фиксирует положение нижнего конца топливных стержней с помощью Inconel-718, может улучшить эффективность фильтрации мусора.

Повышение производительности достигается за счет разработки извилистых каналов для потока, которые можно изготовить только с помощью 3D-печати.

Используя эту технологию, также можно добавить уплотнения каналов к конструкции нижней соединительной пластины, что позволяет сократить количество деталей.

Сведение к минимуму количества компонентов в Сборка особенно выгодна, поскольку снижает производственные затраты и упрощает процесс сборки.

Активная зона ядерного реактора, напечатанная на 3D-принтере

В другом примере Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) использует 3D-печать для разработки активной зоны ядерного реактора в рамках своей программы Transformational Challenge Reactor (TCR).

ORNL стремится построить активную зону ядерного реактора к 2023 году, а также внедрить новые методы проектирования, производства, лицензирования и эксплуатации реакторов, при этом 3D-печать играет ключевую роль в достижении этой цели.

Хотя большая часть реактора будет изготовлена ​​из обычных компонентов, активная зона, отвечающая за удерживание уранового топлива и компонентов, контролирующих реакцию деления, будет полностью напечатана на 3D-принтере из карбида кремния. термостойкий материал.

«Используя 3D-печать, мы можем использовать технологии и материалы, которые ядерное сообщество не могло использовать в последние несколько десятилетий», - сказал Курт Террани, технический директор TCR. «Это включает датчики для почти автономного управления и библиотеку данных, а также новый и ускоренный подход к квалификации, который принесет пользу всему ядерному сообществу».

Запорное устройство, напечатанное на 3D-принтере

Хотя напечатанная на 3D-принтере активная зона все еще находится в стадии разработки, в прошлом месяце Westinghouse успешно установила напечатанную на 3D-принтере деталь, используемую для фактического производства электроэнергии. Установленная часть представляет собой «устройство для закупоривания гильзы», используемое для опускания тепловыделяющих сборок в активную зону реактора.

Деталь стала результатом трехлетнего сотрудничества между Westinghouse, поставщиком ядерных технологий, и Exelon Generation, ведущим американским поставщиком ядерной энергии.

Вставное устройство необходимо для производства ядерной энергии, но оно считалось частью с низким уровнем риска, потому что в случае поломки последствия были бы минимальными.

Детали, напечатанные на 3D-принтере для управления ядерными отходами

В конце концов, каждый разговор о ядерной энергии переходит к радиоактивным отходам и безопасности.

Поиск эффективных решений для долгосрочного обращения с радиоактивными отходами - еще одна проблема в ядерной энергетике.

3D-печать помогает решить эту проблему, позволяя инженерам разрабатывать новые конструкции систем переработки отходов.

В США ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США распечатали детали на 3D-принтере, что упростит переработку отработавшего ядерного топлива.

Как используется 3D-печать. При этом создается блок из 1,25 см центробежных контакторов - сложных жидкостных устройств с внутренними каналами. После подключения контакторы обеспечивают непрерывный цикл переработки.

В настоящее время инженеры-ядерщики могут утилизировать 95% отработавшего топлива ядерного реактора, а оставшиеся 5% необходимо хранить в течение длительного времени. термин «отходы». Вышеупомянутое 3D-печатное оборудование можно использовать для сортировки и переработки некоторых из последних, а это означает, что дополнительные 2 процента ядерных отходов могут быть переработаны.

Хотя 2 процента могут показаться не особенно впечатляющими прогресс, это может значительно сократить количество отработанного топлива, которое необходимо хранить, и время, в течение которого оно остается опасным.

3D-печать для встроенных датчиков

Ядерные реакторы оснащены мощными приборами для контроля таких переменных, как температура и давление. Однако сложно контролировать конструктивное состояние компонентов реактора во время эксплуатации, когда оно подвергается экстремальным температурам и радиации.

Одно из препятствий заключается в трудностях встраивания датчиков в термостойкие и радиационно-стойкие материалы. Но 3D-печать может предоставить решение.

Новые конструкции, поддерживаемые 3D-печатью, позволят использовать встроенные датчики, которые будут предоставлять данные непосредственно из ядра.

ORNL, для Например, ультразвуковая AM используется для встраивания высокоточных, устойчивых к излучению датчиков в конструкции и компоненты.

Кроме того, Министерство энергетики США поддержало Инженерную школу Свонсона Университета Питтсбурга грантом на разработку методов AM для изготовления электрических датчиков для ядерных ядер.

Стартовавший в 2017 году проект уже добился определенных успехов в разработке оптоволоконных сенсорных сетей. Недавно команда отметила первое успешное испытание оптоволоконного датчика в активной зоне одного из реакторов Массачусетского технологического института.

Новые материалы для ядерных применений

Атомным станциям следующего поколения потребуются инновации в материалах для удовлетворения требований их агрессивной среды, включая проблемы высокотемпературной коррозии и высокие дозы облучения.

AM может быстрее поддерживать инновации в материалах. Например, с его помощью можно создавать новые сплавы со свойствами, которые невозможно получить традиционными методами. В процессе также могут использоваться такие материалы, как кремний, которые нельзя обрабатывать традиционными методами гибки металлов.

Примером этого является недавнее сотрудничество между шведскими разработчиками материалов для 3D-печати, Additive Composite Uppsala и Add North 3D, по разработке полимерного композитного материала для приложений радиационной защиты.

Материал, названный Addbor N25, сочетает в себе карбид бора и нейлон в виде нити, оптимизированной для 3D-печати. Возможности защиты от излучения достигаются благодаря элементу из карбида бора, который обеспечивает эффективное поглощение нейтронов.

Обновление атомной отрасли с помощью 3D-печати

Хотя мы лишь поверхностно оцениваем возможности 3D-печати в атомной отрасли, последние разработки сигнализируют об огромном потенциале, который может предложить эта технология.

По мере того, как производители используют свободу, которую предлагает 3D-печать, они могут создавать улучшенные конструкции компонентов, исследовать новые материалы и экономично производить запасные части, которые больше не доступны.

В ближайшие годы мы обязательно увидим более захватывающие инновации в области 3D-печати, которые помогут ядерным технологиям преодолеть текущие проблемы и еще больше повысить их безопасность и устойчивость.