В 2017 году Siemens добился прорыва в отрасли благодаря первой успешной коммерческой установке и безопасной эксплуатации 3D-печатной детали на атомной электростанции. Из-за строгих требований безопасности и надежности в ядерном секторе это было удивительным достижением, потому что компоненты, используемые на атомных электростанциях, должны быть прочными, надежными, устойчивыми к высоким температурам и проходить больше регулирующих и проверочных циклов, чем в любой другой отрасли.
3D-печать, также известная как аддитивное производство, является инновационной техникой, которая упрощает процесс производства, переходя непосредственно от 3D-моделей к реальным деталям. Аддитивное производство снижает стоимость, улучшает качество и гибкость конструкции, а также устраняет обычные производственные ограничения.
3D-дизайн и печать предлагают качественные и экономичные варианты, особенно для производства запасных частей, а также для создания прототипов, которые обычно требуют огромных затрат на установку новых производственных линий. Изменения в 3D-печати являются лишь незначительными изменениями в компьютерной модели.
Аддитивное производство имеет решающее значение на пути к безуглеродной энергетике, в том числе атомной.
GE Hitachi Nuclear Energy (GEH - https://nuclear.gepower.com/) были пионерами в этой области. GEH имеет возможность облучать образцы, напечатанные на 3D-принтере, для тестирования и сравнения их с традиционными деталями при различных условиях. Они будут использовать 3D-печать, чтобы минимизировать отходы и сократить время производства на 90%.
3D-печать известна тем, что создает масштабные модели и другие вещи, и даже пистолеты. Вы можете иметь 3D принтер дома. Эта технология была впервые внедрена в 1980-х годах и за последние 10 лет произвела революцию в производстве практически всего. Сегодня мы можем печатать не только из пластика и резины. Мы можем печатать металлами и другими материалами, такими как различные высокотехнологичные композиты.
Поэтому неудивительно, что это повлияло на атомную отрасль. Наиболее многообещающее применение - разработка микрореакторов, которые представляют собой очень маленькие ядерные реакторы, обычно мощностью менее 10 мегаватт и которые могут быть установлены на тракторном прицепе.
Национальная лаборатория Ок-Риджа (https://www.ornl.gov/advancedmanufacturing) в партнерстве с Лабораторией прорывных технологий ВМС США (https://www.navy.mil/submit/display.asp?story_id=93524) изготовила первый корпус подводного аппарата для ВМС методом 3D-печати из углеродного волокна. И он примерно того же размера, что и микрореактор.
Традиционный погружной корпус стоит от 600 000 до 800 000 долларов, а на его изготовление уходит несколько месяцев. Изготовление этого корпуса 3D-печатью стоило менее 100 000 долларов и заняло несколько недель - экономия в десять раз по стоимости и времени. А изменения между печатью просты, поэтому не требуется массового производства, чтобы получить традиционную экономию от масштаба.
Хотя внутренние компоненты микрореактора могут быть сложными, аэрокосмическая отрасль имеет опыт 3D-печати сложных компонентов реактивного двигателя за меньшее время и с меньшими затратами, чем обычные методы. Замена снятых с производства деталей является проблемой для атомных станций, и для изготовления запасных частей можно использовать 3D-принтеры.
Но самая крутая вещь на сегодняшний день - это 3D-печать активной зоны ядерного реактора. И это именно то, что делают исследователи из Ок-Риджа. Печать ядра стала бы знаковым событием для атомной промышленности Соединенных Штатов, сократив затраты и время на строительство объектов следующего поколения.
«Атомная отрасль все еще ограничена в том, как мы проектируем, строим и внедряем ядерно-энергетические технологии», - сказал директор ORNL Томас Захария (Thomas Zacharia).
Это не похоже на научную фантастику. Детали с 3D-печатью уже появились на атомных электростанциях, а современные испытательные реакторы используют 3D-печать для изготовления испытательных капсул.
Компания Westinghouse Electric (https://www.foronuclear.org/en/ask-the-expert/123587-3d-in-nuclear-technology) успешно установила 3D-печатное устройство для подключения наперстковой ионизационной камеры. Устройство используется в ядерных реакторах, чтобы опускать топливные сборки в активную зону ядерных реакторов, и было установлено на блоке 1 Байронской атомной электростанции Экселона в Иллинойсе во время перебоя на АЗС этой весной.
«Аддитивное производство - это захватывающее новое решение для атомной промышленности, - сказал Кен Петерсен, вице-президент Exelon Generation по ядерному топливу. - Упрощенный подход помогает удовлетворить потребность отрасли в широком спектре маломасштабных, особо важных компонентов для установки. Мы гордимся тем, что Westinghouse является партнером в этом важном событии в отрасли и помогает в дальнейшей демонстрации жизнеспособности этой технологии».
Westinghouse планирует стать первой компанией, которая установит 3D-печатный компонент для ядерного топливного элемента в коммерческий ядерный реактор, снизив цену и ускорив количественную оценку материалов и 3D-печатных компонентов.
Компания уже использует 3D-печать для изготовления пресс-форм, опор и корпусов подшипников для электрических двигателей.
Более крупные компоненты, такие как сосуды под давлением для небольших модульных реакторов, могут использовать современные методы, включая 3D-печать, порошковую металлургию, горячее изостатическое прессование (прессование металлического порошка в твердые формы) и электронно-лучевую сварку (сварка на молекулярном уровне). Все это снижает стоимость и время изготовления.
Фактически, недавний отчет NEI о передовом производстве обнаружил, что существует 16 методов, которые представляют наибольший интерес для атомной промышленности.
Шведские компании 3D-печати Additive Composite (https://www.3dprintingbusiness.directory/company/additive-composite-uppsala-ag/) и Add North 3D (https://www.3dprintingbusiness.directory/company/add-north/) совместно с Уппсальским университетом разработали и выпустили новую композитную нить из карбида бора, пригодную для применения в целях защиты от излучения. Материал, доступный под названием Addbor N25, состоит из карбида бора и сополиамидной матрицы.
Карбид бора является одним из самых твердых известных материалов и, следовательно, используется для многих экстремальных применений, таких как танковая броня и бронежилеты. Материал также хорошо подходит для применений в области защиты от ядерных излучений из-за высокого поглощения нейтронов.
Совсем недавно Арагоннская национальная лаборатория Министерства энергетики в Иллинойсе начала использовать 3D-печать для разделения ядерных отходов, увеличив количество отходов ядерного топлива, которые могут быть переработаны до 97%. В процессе 3D-печати создается ряд центробежных контакторов, что исключает вероятность поломки деталей.
Так что, как и во всех других отраслях, атомная энергетика движется в будущее благодаря новым процессам, таким как 3D-печать, новым материалам и новым приложениям. 3D-напечатнный микрореактор, поддерживающий жизнь колонии на Марсе через несколько десятилетий, будет только началом.