エンターテインメントとエンリッチメントのための3Dプリンティング原子炉

最近の数十年で、3Dプリンティングとしても知られているアディティブテクノロジーが製造においてますます見られるようになりました。まず、これらは新製品のプロトタイピングに適しています-開発とテストの間の時間がほとんどありません。しかし、それらは、少量の商品から特注の船体、さらにはロケットエンジン部品まで、あらゆるものの製造にますます使用されています。



添加剤技術の明らかな利点は、非特定の機器と従来の材料をリソースとして使用し、射出成形の場合のように高価なフォームを必要とせず、フライス盤や同様の機械での長く無駄な処理プロセスを必要としないことです。すべての生産は、3Dモデルと1つまたは複数の入力材料を印刷装置の入力に供給することになります。この装置は、3Dモデルを無駄の少ない物理的なオブジェクトに変換します。



これらの利点は原子力業界では見過ごされていません。その結果、さまざまなコンポーネントが3Dプリンターで作成されます。既存の原子炉の運転をサポートするものから、使用済み燃料や原子炉さえも処理するのに役立つツールまでです。

これは通常の溶融堆積モデリングではありません

PLA、ABS、またはUV感光性樹脂SLAを使用する3Dプリンターのユーザーは、この方法でアイテムを製造するコストが非常に難しいことを確認できます。エンジンの壊れたギアから新しいプリント基板の特別なケースまですべてを製造するプロセスは、少数のコピーを作成する場合、従来のプロセスよりも速くて安価です。





相対性理論の宇宙はイオンエンジンを印刷します



NASAから現場の新興企業に至るまで、航空宇宙産業は、プロトタイピングと製造自体に付加技術を使用することに暖かい姿勢を持っているのはこのためです。ロケットエンジンと、ターボポンプやバルブなどの無数のコンポーネントは、理想的には3Dプリントされています。各プロトタイプエンジンは前のものとは異なり、SpaceX Falcon 9ロケットのMerlin 1Dエンジンの場合と同様に、合計で数百年で製造されます。スタートアップ、特にRelativity Spaceは、付加技術の使用が宇宙産業を完全に変革することを示唆しています。



当然、ここでは、FDMテクノロジー（溶融堆積モデリング）PLAまたはABS部品。そして、車のコストがかかる流行のSLAプリンター（レーザーステレオリソグラフィー）についてもそうではありません。アルミニウムやチタンの部品を印刷するには、SLM（選択的レーザー溶融）プリンター（別名、直接レーザー金属溶融プリンター）が必要です。これは、材料（ナイロン、金属、セラミック、またはガラス）を接着するが溶かさない SLS（選択的レーザー焼結）プリンターの次のステップです。



SLMはSLAに似ていますが、印刷の原則が逆になっています。新しい金属粉末が印刷された部品の上に追加され、レーザーがそれを溶かして新しい層を追加します。すべては、酸化を避けるために不活性ガスで満たされた密閉容器内で行われます。SLMのマシンはすでにまるで家全体のようなものだと推測できます。



比較のため、All3DPのWebサイトにはそのようなプレートがあり、さまざまな金属から印刷する場合の標準のBenchyボートモデルの製造コストがリストされています。

原子炉

添加剤技術の次の自然なステップは、ロケットエンジンの熱地獄から、原子炉のより静かな（おそらくより放射性が高い）環境に移行することです。大量の原子炉を製造すること、それから規模作業の経済が有利である。しかし、たとえば、米国では過去数十年にわたって、この市場はかなり広範でしたが、実際には姿を消しました。



元原子力産業の巨人がゲームに戻りたかったとき-AP1000原子炉を備えた米国とEPR原子炉を備えたフランス-まったく同じ原子力発電所が中国（原子力産業が強い）で建設されたことが判明した。 4つのAP1000原子炉と2つのEPR原子炉は、それらを開発した国がそれらを建設して接続することを計画する前に、何年も前にグリッドに接続されていました。皮肉なことに、米国で製造されたAP1000の冷却ポンプは常に故障しています。



重要なインフラストラクチャプロジェクトの問題は、正しい知識とサプライチェーンを持つことです。ある国が定期的に原子力発電所を建設し、維持している場合、その国は、サプライチェーンとそれらに取り組むために必要な専門家の両方を維持しています。国が数十年間新しい原子力発電所の建設をやめると、サプライチェーンがなくなり、知識が失われます。もちろん、生産全体を再構築して人々を引き付けることはできますが、そのような機器の生産に対してより効率的なアプローチを検討することは理にかなっています。



米国がカナダ、ロシアなどの国に追いつくための試み[これは世界で最初に位置しています]建設中の原子力発電所の数によって］そして韓国は、米国エネルギー省がオークリッジ国立研究所に、変成チャレンジリアクター（TCR）プログラムを主導する任務を割り当てた。プログラムは「新しい原子力システムの配備への革命的なアプローチを実証する」べきです。実際、このプロジェクトの目標は、3Dプリンターで可能な限り多くのマイクロリアクターを印刷して、追加技術によって提供される機能を実証することです。

詳細に取り組む

アルゴンヌ国立研究所（ANL）およびアイダホ国立研究所（INL）と協力して、ORNLは、原子炉で使用される材料に対する要求の増加を考慮して、製造プロセスにおけるそのような根本的な変化に関連する多くの詳細に取り組んでいます。通常の方法で製造されたコンポーネントと比較して、材料の熱変形と疲労についての質問があります。これらの研究の結果の一部は新しい研究で説明されており、そのようなアプローチの実行可能性の研究に費やされた研究の量を知ることができます。



ANLは、高速X線イメージングを使用したSLM印刷中に行われた発見をすでに公開しているため、プロセスを詳細に調べることができます。彼らが発見した主な問題の1つは、強制的な空気の流れに関係します。その結果、これらの冷たい材料片は、完成品に欠陥をもたらします。



ではTCRプロジェクトファクトリストマイクロリアクターは、TRISO（窒化ウラン）燃料粒子、水素化イットリウム中性子減速材、および3Dプリントされた炭化ケイ素とステンレス鋼コアを使用する必要があると述べています。ほとんどの最新の原子炉は冷却に水、重水、またはナトリウムを使用しているため、原子炉は非常にユニークなヘリウムで冷却されます。



TCRプログラムは非常に若いため（2019年に最初に公開された）、その進捗状況を評価したり、それから何を期待できるかを理解することは困難です。これを行うには、添加剤技術を原子力産業に統合するプロセスですでに何が起こっているかを評価することができます。

原子力産業における添加剤技術の統合

これまでのところ、比較的単純なコンポーネントは、原子炉用の3Dプリンターで印刷されます。 2017年に、シーメンスはスロベニアのKrško原子力発電所の消防ポンプの108 mmインペラーを3D印刷されたコピーに交換しました。 1980年にポンプが設置されて以来、元のポンプメーカーはすでにシャットダウンしています。



Westinghouseもこの方向に取り組んでおり、最近、バイロン原子力発電所の最初のモジュールに3Dプリントされたスリーブを取り付けました。この装置は燃料棒を保持します彼らは原子炉に沈む間。その設置の主な動機の1つは、原子炉の環境が3Dプリンターで印刷される材料にどのように影響するか、および通常の方法で作成されるコンポーネントとの違いがあるかどうかを理解したいという欲求です。

まとめましょう

明らかに、3Dプリンティングは製造において将来性のあるものです。原子力産業の場合、60年以上経過した原子炉の交換部品を製造するための優れた方法を提供するだけでなく、サプライヤーの半数以上がすでに生産を停止または変更している。他の多くの新しい製造技術、それはまた、彼らは核融合や核分裂原子炉も、原子炉の次の世代のためのエキサイティングな新しい機会を提供しています。



それには多くの明らかな利点があります-新しい原子炉と概念のプロトタイピングを加速し、複雑なサプライチェーンに依存することなく、月と火星の遠隔居住地と将来の植民地における原子炉の機能を保証します。最後にあるのはコストの問題ではありません-この方法によるリアクターの製造ははるかに安価であり、おそらく、その場でのリアクターの製造と組み立てが可能になります。



これらすべては、明らかに、SLMプリンターにアクセスできない人々にとってはそれほど興味深いものではありません。しかし、おそらく10年以内に、私たち全員が自宅でロケットエンジンと熱核反応器のコンポーネントを印刷することを知っています。