Национальная лаборатория Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) разработала прототип активной зоны ядерного реактора, напечатанной на 3D-принтере. Конечной целью их проекта является создание усовершенствованного полноразмерного реактора со встроенными датчиками и элементами управления из меньшего количества компонентов. И все это они планируют реализовать с помощью 3D-печати. Лаборатория стремится запустить первый в своем роде реактор к 2023 году.
Ученые выбрали и оптимизировали дизайн для печати в течение трехмесячного периода. Они продемонстрировали способность быстро производить прототип активной зоны реактора. Достижения команды из ORNL будут использоваться в производстве, ядерной науке, ядерной технике, высокопроизводительных вычислениях, анализе данных и смежных областях.
По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), на территории США работают 98 ядерных реакторов, обеспечивая 20 процентов энергопотребления в стране без выбросов углерода. Большинство из них основаны на полувековой технологии, и за последние 20 лет на стадии строительства находится только один новый реактор. В течение следующих двух десятилетий многие станции прекратят свою работу, так как срок действия их лицензий истекает.
Процесс замены этих реакторов будет чрезвычайно затруднен и обойдется дорого по ряду причин. Самая большая из них заключается в том, что американские коммерческие реакторы традиционно были крупными проектами в области гражданского строительства, в которых используются одноразовые конструкции. На их разработку, сборку и испытания иногда требуются десятилетия. Еще нужно получить официальное одобрение на их запуск.
Демонстрационная программа «Трансформационный испытательный реактор» (TCR) лаборатории призвана ускорить этот процесс, в то же время значительно сократив расходы за счет использования преимуществ высокотемпературной трехмерной печати в сочетании с современными материалами и конструкцией реактора 21-го века. Сейчас для производства готова активная зона прототипа реактора.
«В последние несколько месяцев мы активно пытаемся реализовать программу в реальность, и наши усилия доказали, что эта технология готова для создания ядра ядерного реактора на 3D-принтере», — рассказывает Курт Террани, технический директор TCR. «Нынешняя ситуация для атомной отрасли ужасна. Это основополагающее усилие, которое может открыть путь для новых решений и быстрого введения этих инноваций в ядерную промышленность».
Пока что команда сосредоточена на общем дизайне прототипа. Они используют технологии искусственного интеллекта и непрерывный мониторинг во время производства для оценки материалов и способностей производительности. Ученые считают, что, если технология оправдает себя, она может быстро изменить всю атомную энергетику.
Команда также проводит обширное тестирование после сборки, чтобы оценить производительность компонентов и установить связи между поведением каждой уникальной детали и ее производственными данными.
«Концепция программы стала возможной благодаря значительному прогрессу в технологиях аддитивного производства. К ним относятся датчики для около-автономной работы и большая библиотека данных, а также новый и ускоренный подход к квалификации, который принесет пользу всему ядерному сообществу».
Ученые хотят предоставить высоко оптимизированную, эффективную систему, которая снижает затраты, опираясь на научные достижения, способные сформировать новый путь в разработке, производстве, лицензировании и эксплуатации реакторов. Они планируют создать цифровую платформу, которая поможет в передаче этой технологии в промышленность для ее скорейшего внедрения.
Ниже представлена ускоренная запись процесса 3D-печати ядра реактора. На это ушло около 40 часов, а температура достигала более 1400 °C.