Unikátní vlastnosti aditivně vyráběných komponent z kovových materiálů pomáhají zvyšovat efektivitu reaktorů. Cesty k nim seriózně hledají v USA či ve Francii.

Zatímco v Evropě se vedou politické boje mezi zastánci jádra a obnovitelných zdrojů, v USA jako jaderné velmoci čile hledají způsoby efektivnějšího využívání pokročilých reaktorových technologií. Vývoj v této oblasti podporuje federální program TCR (The Transformational Challenge Reactor Program), který výzkumníky motivuje k hledání nových cest s využitím aditivní výroby a umělé inteligence. Další iniciativy, jako AMM (pokročilé výrobní metody) nebo NMDQi (iniciativa pro výzkum nukleárních materiálů) tento vývoj zasazují do kontextu celého životního cyklu jaderného paliva a používaných technologií.

Popsanou problematikou se komplexně zabývá Národní laboratoř v Oak Ridge (ORNL), od hledání nových cest při optimalizaci vyvíjených komponent přes vývoj nových materiálů pro aditivní výrobu až po autonomní systémy kontroly kvality tištěných komponent a jejich certifikaci prostřednictvím vlastní digitální platformy.

Prvky jádra mikro-modulárního reaktoru TCR vyráběné 3D tiskem metodou DED. Foto: ORNL

Pronikání aditivně vyráběných komponent do jaderné energetiky je kvůli její vysoké regulovanosti pomalejší než v jiných oblastech – například v turbínách se kovové tištěné díly prosazují již delší dobu. Přitom i zde je pro aditivní výrobu silný potenciál, od výroby náhradních dílů, které již nejsou na trhu k dispozici, po zdokonalování vlastností používaných komponent, jaké dovolí právě a jen 3D tisk a jím vytvářené komplexní tvary.

V energetickém sektoru se primárně uplatňují aditivní technologie jako je laserové spékání v práškovém loži (PBD), nanášení materiálu tryskáním (DED), navařování elektronovým paprskem (EBW), izostatické lisování prášku za vysokých teplot (HIP) a tzv. cold spray, označující nanášení kovového prášku nadzvukovou rychlostí.

Pokrok jaderné energetiky, který se opírá o využití aditivně vyráběných dílů, ilustrují například tyto projekty:

Výše zmíněný TCR, což je héliem chlazený minireaktor, jehož celé jádro má být vytištěno z vysoce odolného karbidu křemíku. Zajímavostí projektu je digitální platforma, která má pomoci při převzetí konceptu a jeho dalším rychlém rozvoji ze strany komerčních firem. Licenci na výrobu těchto reaktorů nedávno získala společnost USNC (Ultra Safe Nuclear Corporation).

Elektrárna Brown Ferry v Tennessee již tištěné díly aktivně využívá. Jedná se o 4 držáky palivových kanálů, které jsou jako první svého druhu vytištěny metodou DMLS z oceli. Pro demonstraci možností aditivní výroby v jaderné energetice zvolila ORNL ve spolupráci s dodavatelem palivových trysek Framatome právě tyto komponenty proto, že obsahují komplexní geometrie, ale zároveň nejsou nejkritičtější z hlediska bezpečnosti. Laboratoř každopádně pro účely certifikace těchto dílů zajistila veškerá digitální 3D data z výrobního procesu, zaznamenávající vlastnosti každé jednotlivé vrstvy nanášeného materiálu.

Držáky palivové sestavy byly historicky prvními komponenty ze 3D tiskárny, použitými v jaderné energetice. Foto: ORNL

Společnost Westinghouse vyhodnocovala možnosti využití kovového 3D tisku metodami PBD, DED a binder jetting. V roce 2020 pak byl v jaderné elektrárně Byron v Illinois nainstalován držák jaderného paliva používaný k jeho zasouvání do reaktoru, vytištěný z kovového prášku (viz obrázek v úvodu článku). V současnosti se Westinghouse zabývá vývojem minimálně tří dalších komponent, které se budou vyrábět 3D tiskem.

Aditivní technologii cold spray používá americká firma Exelon pro výrobu separátorů vlhkosti, které pomáhají omezit vznik koroze v parním systému reaktoru. Stejná technologie je aplikována v několika projektech s cílem vyvinout nové technologie pro bezrizikovou manipulaci s jaderným palivem (tzv. accident tolerant fuel).

V Evropské unii se problematikou aditivní výroby komponent v jaderné energetice zabývá projekt NUCOBAM. Ten má tři fáze – v první se věnuje využití tištěných dílů ve stávajících elektrárnách při optimalizaci jejich provozu a údržby; ve druhé jde o vývoj nových systémů pro práci s jaderným palivem; v dlouhodobém horizontu pak jde o vývoj reaktorů budoucnosti (od těch velkých až po malé modulární). Primární ambice projektu NUCOBAM spočívají v ověření kovového 3D tisku jako bezpečného řešení v jaderném průmyslu, kvalifikace procesů aditivní výroby pro optimalizaci kritických komponent v nukleárních systémech, a také potvrzení využitelnosti nerezové oceli 316L používané pro 3D tisk, jako materiálu použitelného v prostředí s radioaktivním zářením.

Další informace (v angličtině) najdete zde: