W sercu jednego z najmocniejszych reaktorów badawczych świata – High Flux Isotope Reactor (HFIR) w Oak Ridge – przez 4 tygodnie testowano dwie eksperymentalne kapsuły wykonane ze stali nierdzewnej typu 316H. Te niewielkie cylindry, odpowiadające za bezpieczne przechowywanie próbek paliwa lub materiałów konstrukcyjnych poddanych działaniu neutronów, zostały po raz pierwszy stworzone za pomocą technologii laserowego osadzania proszku metalu – jednej z najbardziej zaawansowanych metod druku 3D.
Czytaj też: Reaktory fuzyjne przyszłości będą działały jeszcze lepiej dzięki grom komputerowym. To naprawdę działa
Po miesiącu ekspozycji na ekstremalne promieniowanie neutronowe i wysokie temperatury, kapsuły zostały wydobyte z reaktora w stanie nienaruszonym. Dla świata inżynierii jądrowej to sygnał: drukowane komponenty mogą w przyszłości zastąpić tradycyjnie obrabiane elementy, a nawet przyspieszyć cały cykl testowania nowych paliw i materiałów.
Stal z drukarki 3D wkrótce w reaktorach jądrowych
W świecie reaktorów badawczych kapsuły te odgrywają rolę mikrolaboratoriów – stanowią zamknięte środowisko dla testowanych materiałów i jednocześnie chronią rdzeń reaktora przed ewentualnymi niekontrolowanymi reakcjami. Muszą być odporne na nacisk, wysoką temperaturę i degradację radiacyjną – każda ich wada może oznaczać fiasko eksperymentu lub zagrożenie dla bezpieczeństwa instalacji.
Czytaj też: Nowoczesny mikroreaktor NuCube może zastąpić gaz ziemny w przemyśle. Generuje 1000 stopni Celsjusza ciepła
Tradycyjna produkcja takich kapsuł to długi i kosztowny proces: wymaga zastosowania specjalistycznych stopów, dokładnej obróbki i szeregu testów wytrzymałościowych. Dzięki drukowi 3D, ten łańcuch można skrócić do minimum – bez utraty jakości czy bezpieczeństwa.
Zespół z Manufacturing Demonstration Facility w ORNL wydrukował kapsuły przy użyciu wysokotemperaturowej stali nierdzewnej 316H – materiału znanego ze swojej odporności na korozję i promieniowanie oraz wykorzystywanego w komponentach reaktorów od dziesięcioleci. Różnica polegała na tym, że tym razem stal powstała warstwa po warstwie z metalicznego proszku, a nie z tradycyjnych walców stalowych.
Ryan Dehoff, dyrektor MDF w ORNL, mówi:
Demonstracja niezawodności drukowanych komponentów otwiera drogę do ich szerszego zastosowania w reaktorach. Addytywna produkcja może stać się wkrótce standardem dla wielu krytycznych części reaktora.
Po wydrukowaniu kapsuły zostały zmontowane i zakwalifikowane przez dział inżynierii napromieniania w ORNL. Następnie trafiły do reaktora HFIR, gdzie poddano je działaniu jednego z najwyższych znanych strumieni neutronowych. Ich przetrwanie w takim środowisku to milowy krok w kierunku drukowania całych systemów reaktorowych.
Jak podkreśla Richard Howard, lider zespołu w Dziale Energii Jądrowej i Cyklu Paliwowego w ORNL, kwalifikacja nowych paliw i materiałów dla reaktorów przyszłości wymaga coraz bardziej innowacyjnych narzędzi eksperymentalnych. Dotychczasowe metody produkcji są zbyt powolne, by nadążyć za rosnącym zapotrzebowaniem przemysłu i regulacji.
Cały projekt został sfinansowany przez amerykański Departament Energii w ramach programu Advanced Materials and Manufacturing Technologies. Testy przeprowadzono w ramach współpracy między Manufacturing Demonstration Facility a High Flux Isotope Reactor – oba te ośrodki należą do krajowego konsorcjum DOE ds. transformacji produkcji przemysłowej w USA.
Celem nadrzędnym jest stworzenie zautomatyzowanego, elastycznego systemu produkcyjnego, który pozwoli na szybkie tworzenie i testowanie komponentów nowej generacji reaktorów – od mikroreaktorów dla zastosowań wojskowych i stacji kosmicznych, po pełnowymiarowe reaktory czwartej generacji o zamkniętym cyklu paliwowym.
A co z Polską?
Testy w ORNL wpisują się w szerszy, międzynarodowy trend wykorzystywania druku 3D w energetyce jądrowej. Technologie addytywne są już rozważane przez Westinghouse, Ultra Safe Nuclear, Framatome i GE-Hitachi jako przyszłościowe rozwiązania dla SMR-ów (małych reaktorów modułowych). W Polsce, która przygotowuje się do budowy pierwszej elektrowni jądrowej oraz inwestuje w reaktory BWRX-300, możliwość drukowania kluczowych komponentów na miejscu mogłaby zredukować zależność od zagranicznych dostawców i skrócić cykl projektowy.
Warto zatem, by krajowe instytuty badawcze – jak Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku czy Politechnika Warszawska – już teraz rozważały partnerstwa z ośrodkami takimi jak ORNL, by wejść do gry o przyszłość atomu nie jako konsument, ale jako twórca innowacji.