Science_nuclearcore_fuelMockup5B25D5B15D

3D печать ядерного реактора и его ядра

Курт Террани чтобы ускорить будущее ядерной энергии — поэтому он повернулся к своему прошлому. За последние полтора года Террани и команда физиков, инженеров и компьютерщиков из Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси разработали и изготовили компоненты для ядерного реактора с газовым охлаждением. Это тип реактора, который почти так же стар, как и сам ядерный век, но у новейшего атомного сплиттера Оук-Риджа есть своеобразный поворот 21-го века. Когда он вступит в строй в 2023 году, это будет первый ядерный реактор в мире с ядром, напечатанным на 3D-принтере.

«Мы пытаемся найти более быстрый способ создания ядерной системы, обладающей превосходными характеристиками», – говорит Террани, технический директор программы «Реактор преобразования в Оук-Ридж». «Цель состоит в том, чтобы коренным образом изменить то, как мы работаем в ядерной сфере».

Атомная отрасль имеет репутацию невероятно консервативной и устойчивой к изменениям, и Террани сетует, что все ядерные реакторы мира до сих пор используют технологию, придуманную полвека назад. Менталитет «если не ломается, не исправляй» — это неотъемлемый способ управлять риском и непомерными затратами на строительство новых атомных электростанций, но он также сдерживает инновации в отрасли, которая поставляет подавляющее большинство углеродистых отходов. Террани беспокоится о том, что если ядерная промышленность не будет использовать новые технологии, она скоро устареет.

Нельзя сказать, что мы должны начать строительство экспериментальных атомных станций без должной осмотрительности. Причина, по которой атомная отрасль движется так медленно, в том, что цена просчета огромна — аварии в Чернобыле и Фукусиме были бедствиями, определяющими поколения, и которые никто не хочет повторять. Но неприятие риска не помешало другим заведомо душным отраслям освоить новые технологии. Достаточно взглянуть на авиакосмическую отрасль, где компании теперь печатают 3D-ракеты целиком, летают на самолётах-самозахватах и ловят ракеты-носители на корабли-дроны, И вообще, большинство разрабатываемых сегодня современных реакторов не являются совершенно новыми; это модифицированные конструкции реакторов, которые были успешно построены десятилетия назад. «Мы знаем, что все эти концепции работают» — говорит Террани. «Проблема в том, что мы не можем построить их достаточно быстро и дешево».

Команда Oak Ridge недавно завершила предварительный проект для 3D-печатного ядра в основе своего Transformational Challenge Reactor, или TCR. Хотя большая часть реактора будет изготовлена ​​из обычных компонентов, ядро ​​будет полностью напечатано в 3D из карбида кремния, чрезвычайно прочного материала, который практически невозможно расплавить. Цилиндрическое ядро ​​представляет собой матово-серебристое серебро с несколькими нерегулярными неагоняными тепловыделяющими сборками, расположенными в его центре. Вот где вся магия происходит в ядерном реакторе: он отвечает за удержание уранового топлива и компонентов, которые контролируют реакцию деления. Ядро, спроектированное и напечатанное в Ок-Ридже, имеет высоту менее полутора футов и будет размещено в реакторе, который не намного больше, чем пивная бочка.

TCR — это усовершенствованный газоохлаждаемый реактор, в котором в качестве теплоносителя используется гелий, в то время как в большинстве действующих реакторов сегодня используется вода. Реакторы с газовым охлаждением чрезвычайно экономичны, потому что они работают при очень высоких температурах — TCR будет работать при температуре около 1200 градусов по Фаренгейту — и Террани говорит, что 3D-печать активной зоны реактора повысит эффективность ещё выше. Кроме того, традиционные методы обработки для создания активной зоны реактора ограничивают их конструкцию. Сложная сеть каналов охлаждения в ядре Оук-Ридж слишком мала и извилиста для любых традиционных методов обработки. Но поскольку 3D-принтеры строят объект, склеивая металл слой за слоем, инженеры могут создавать ранее невозможные основные конструкции.

«Мы больше не привязаны к скучной геометрии», – говорит Террани. «Вместо множества вещей, которые выглядят одинаково, вы можете изменить дизайн ядра и заставить свою систему реагировать на окружающую среду».

3D-печать также поможет инженерам-атомщикам лучше понять, что происходит внутри активной зоны после запуска реактора. В обычном реакторе поведение активной зоны должно контролироваться извне. Но новые дизайны с поддержкой 3D-печати позволят встроить датчики, которые будут предоставлять данные непосредственно из ядра. Кроме того, 3D-печать также дает ядерным инженерам больший контроль над производственным процессом. Для печати отдельных частей ядра TCR требуется от 8 до 24 часов, и, по словам Террани, все ядро ​​может быть напечатано за несколько недель. Во время печати алгоритм машинного зрения получает данные от инфракрасных камер и других датчиков, которые помогают определить, есть ли какие-либо дефекты во время печати.

Но именно то, что происходит дальше, Террани видит как самое большое изменение в игре. Когда деталь изготавливается для обычного ядерного реактора, она должна пройти дорогой и медленный процесс сертификации. Как дорого? Террани говорит, что он знает о ядерной установке, которая должна была заплатить 20’000 долларов за болт при реальной его стоимости всего несколько центов, потому что болт должен быть специально сертифицирован для ядерных систем.

Топливный элемент с двойными стенками оболочки и охлаждающими каналами, которые имеют большую площадь поверхности и спиральные направляющие.
ФОТОГРАФИЯ: РАЙАН ДЕХОФФ / НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ОК-РИДЖА, МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ США.

«Один из самых дорогих и трудоемких шагов для нового структурного компонента в активной зоне ядерного реактора – это затраты на аттестацию компонента», — говорит Николас Браун, инженер-ядерщик из Университета Теннесси, Ноксвилл. «Как правило, этот процесс может занять десятилетия и миллионы или миллиарды долларов». Браун говорит, что затраты на новые детали настолько высоки, потому что их сертификация обычно включает в себя процесс «приготовь и посмотри»: новую деталь помещают в испытательный реактор, чтобы посмотреть, как она работает, инженеры вносят изменения в деталь, основываясь на этих данных, и процесс повторяется до тех пор, пока производительность не будет соответствовать ожиданиям. Как и сами технологии ядерных реакторов, процесс их квалификации для использования застрял в 1970-х годах.

Ядерная энергетика не может быть единственной отраслью, которая не принимает никаких новых технологий. Мы хотим открыть шлюзы и увидеть передовую ядерную энергетику

Террани надеется, что пакеты данных, сгенерированных деталями 3D-печати, могут ускорить процесс сертификации и снизить стоимость подключения ядерного реактора к сети. Он говорит, что 3D-напечатанный виджет размером с вашу руку может легко генерировать сотни гигабайт информации о качестве детали. Если есть дефект, он будет обнаружен в данных — нет необходимости использовать ультразвук и другие дорогостоящие тесты для его поиска. Но вместо того, чтобы проследить человека через массив данных, сгенерированных 3D-принтером, исследователи из Оук-Риджа обучают алгоритму машинного обучения, чтобы использовать эти данные для проверки деталей. «Как только мы создадим материал, нам не придется возвращаться и тратить несколько месяцев на сертификацию», – говорит Террани. «Вообразите момент, когда вы закончили делать часть, и ИИ может сказать вам, хорошо это или плохо. Это мечта».

Система газового охлаждения TCR по сути является усовершенствованной версией X-10, первого в мире ядерного реактора, предназначенного для непрерывной работы. Построенный в Ок-Ридже в начале 1940-х годов, X-10 был впервые включен только через 9 месяцев после начала строительства. Это поразительные темпы, учитывая, что на строительство единственного ядерного реактора требуется не менее 12 лет. Террани надеется, что 3D-печать, искусственный интеллект и другие новые технологии могут увеличить темпа развития и внедрения в атомной промышленности.

Полезно? Пожалуйста, поделитесь:
Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в twitter
Twitter
Поделиться в linkedin
LinkedIn
Поделиться в whatsapp
WhatsApp
Поделиться в vk
VK
Поделиться в telegram
Telegram

Приглашаем Вас оставить комментарии к данной теме публикации.
Это прекрасная возможность для дискуссий и общения.