3D-печать ядерных реакторов для развлечения и обогащения

Автор оригинала: Maya Posch
  • Перевод


В последние десятилетия аддитивные технологии, также известные, как 3D-печать, всё чаще встречаются на производстве. Они, в первую очередь, хорошо подходят для прототипирования новых продуктов – между разработкой и тестированием проходит мало времени. Однако их всё больше используют и в производстве всякого, от небольших партий товаров до сделанных на заказ корпусов, и даже компонентов ракетных двигателей.

Очевидное преимущество аддитивных технологий состоит в том, что они используют неспецифическое оборудование и обычные материалы в качестве ресурсов, им не нужны дорогие формы, как в случае литья под давлением, и не требуется долгий и производящий много отходов процесс обработки на фрезерных и подобных станках. Всё производство сводится к подаче на вход устройства печати 3D-модели и одного или нескольких входных материалов – и это устройство превращает 3D-модель в физический предмет с очень небольшим количеством отходов.

В ядерной индустрии не обошли вниманием эти преимущества. В итоге на 3D-принтерах изготавливаются различные компоненты – от тех, что поддерживают работоспособность существующих реакторов до инструментов, помогающих обработку отработанного топлива и даже ядерных реакторов целиком.

Это вам не обычное моделирование методом наплавления


Любой пользователь 3D-принтера, работающего с пластиками PLA, ABS или чувствительной к ультрафиолету смолой SLA может подтвердить, что стоимость производства предметов таким способом сложно перебить. Процесс производства всего, от сломавшейся шестерёнки в двигателе до специального корпуса новой печатной платы, будет быстрее и дешевле традиционных – если речь идёт об изготовлении небольшого количества экземпляров.


В Relativity Space печатают двигатель Aeon Engine

Именно из-за этого аэрокосмическая индустрия, от НАСА до стартапов из этой области, тепло относится к использованию аддитивных технологий для прототипирования и непосредственно производства. Ракетные двигатели и их бесчисленные компоненты, включая турбонасосы и клапаны, идеально производить при помощи 3D-печати. Каждый прототип двигателя отличается от предыдущего, а всего их производят по нескольку сотен в год – как в случае с двигателем Merlin 1D от ракеты SpaceX Falcon 9. Стартапы, в частности, Relativity Space, предполагают, что использование аддитивных технологий полностью преобразит космическую индустрию.

Естественно, тут уже речь идёт не о принтере стоимостью до $2000, изготавливающем по FDM-технологии (моделирование методом послойного наплавления) детальки из пластика PLA или ABS. И даже не о модных SLA-принтерах (лазерная стереолитография), стоимостью в автомобиль. Чтобы печатать алюминиевые, или даже титановые детали, нужен SLM-принтер (избирательное лазерное плавление), он же принтер прямого лазерного плавления металла. Это ещё один шаг после принтеров SLS (селективного лазерного спекания), связывающих материалы вместе (нейлон, металл, керамику или стекло), но не плавящих их.

SLM похоже на SLA, только принцип печати получается обратным. Свежий металлический порошок добавляется сверху печатаемой детали, лазер расплавляет его и добавляет новый слой. Всё происходит в герметичном контейнере, заполненном инертным газом во избежание окисления. Можно догадаться, что машины для SLM стоят уже примерно как целый дом.

Для сравнения на сайте All3DP есть такая табличка, где перечислена стоимость изготовления стандартной модели кораблика Benchy при печати из различных металлов.

Металлический пластик (бывший алюмидий – PLA с алюминием) $22,44
Нержавеющая сталь, гальванизированная, шлифованная $84,75
Бронза, сплошная, шлифованная $299,91
Серебро, сплошное, полированное $713,47
Золото – покрытие, полированное $87,75
Золото, сплошное, 18 карат $12 540
Платина, сплошная, полированная $27 314


Ядерный реактор


Следующим естественным шагом аддитивных технологий будет переход от теплового ада ракетного двигателя к более спокойной – хотя и, возможно, более радиоактивной – среде ядерного реактора. Ядерные реакторы выгодно изготавливать в большом количестве, тогда работает экономия на масштабе. Однако за последние десятилетия в США, к примеру, этот рынок практически исчез, хотя раньше он был достаточно обширным.

Когда бывшие гиганты ядерной индустрии захотели снова вернуться в игру – США с реактором AP1000 и Франция с реактором EPR – обнаружилось, что точно такие же АЭС были построены в Китае (имеющем сильную ядерную промышленность). 4 реактора AP1000 и 2 реактора EPR подключили к энергосети за много лет до того, как в странах, разработавших их, планируется их построить и подключить. Иронично, что охлаждающие насосы в AP1000, произведённые в США, подвержены постоянным отказам.

Проблема любого значительного инфраструктурного проекта – в наличии нужных знаний и цепочек поставки. Когда страна регулярно строит и поддерживает АЭС, в ней сохраняются и цепочки поставок, и специалисты, требуемые для работы с ними. Когда страна прекращает строить новые АЭС на несколько десятилетий, цепочки поставок исчезают, а знания утрачиваются. Конечно, можно заново отстроить всё производство и привлечь людей, однако есть смысл рассмотреть более эффективные подходы к производству подобного оборудования.

В попытке США догнать такие страны, как Канаду, Россию [находящуюся на первом месте в мире по количеству строящихся АЭС] и Южную Корею, министерство энергетики США поставило перед Ок-Риджской национальной лабораторией задачу возглавить программу Transformational Challenge Reactor (TCR). Программа должна «продемонстрировать революционный подход к развёртыванию новых систем ядерной энергии». По сути, цель проекта – печатать на 3D-принтерах как можно больше микрореакторов для демонстрации возможностей, предлагаемых аддитивными технологиями.

Работа над деталями




Совместно с Аргоннской национальной лабораторией (ANL) и Национальной лабораторией Айдахо (INL) ORNL прорабатывает множество деталей, связанных с таким радикальным изменением производственного процесса, с учётом повышенных требований к материалам, используемым на ядерном реакторе. Встают вопросы о тепловой деформации и усталости материалов по сравнению с компонентами, изготовляемыми обычным способом. Некоторые из результатов этих исследований описаны в новой работе, по которой можно получить представление о количестве труда, вложенного в исследование жизнеспособности подобного подхода.

ANL уже публиковала открытия, сделанные в процессе SLM-печати при использования высокоскоростной съёмки в рентгеновском диапазоне, позволяющей в деталях рассмотреть процесс. Одна из основных обнаруженных ими проблем связана с вынужденным потоком воздуха, из-за которого более холодный материал засасывает в расплавленную массу. В итоге эти кусочки холодного материала приводят к появлению дефектов в готовом изделии.

В списке фактов проекта TCR описано, что микрореактор должен будет использовать топливные частицы TRISO (нитрид урана), замедлитель нейтронов из гидрида иттрия и ядро из карбида кремния и нержавеющей стали, напечатанное на 3D-принтере. Охлаждаться реактор будет гелием, что довольно уникально, поскольку большинство современных реакторов используют для охлаждения воду, тяжёлую воду или натрий.

Поскольку программа TCR довольно молода (первая публикация датируется 2019 годом) тяжело оценить её прогресс или понять, что можно от неё ожидать. Для этого можно оценить, что уже получилось в процессе интеграции аддитивных технологий в ядерную индустрию.

Интеграция аддитивных технологий в ядерную индустрию


Пока что на 3D-принтере для ядерных реакторов печатают относительно простые компоненты. В 2017 году Siemens заменила крыльчатку размером 108 мм в противопожарном насосе на АЭС в городе Кршко в Словении копией, напечатанной на 3D-принтере. Компания-производитель оригинального насоса уже закрылась, поскольку насос ставили где-то в 1980 году.

Westinghouse тоже работает в этом направлении, и недавно установила распечатанную на 3D-принтере муфту на первый модуль АЭС Байрон. Это устройство удерживает топливные стержни, пока они опускаются в реактор. Одним из основных мотивов её установки служит желание понять, как будет влиять среда ядерного реактора на материалы, распечатанные на 3D-принтере, и будет ли разница с компонентами, изготовленными обычным способом.

Подытожим


Ясно, что у 3D-печати есть многообещающее будущее на производстве. В случае ядерной промышленности она не только предлагает хороший способ производить запчасти на замену для реакторов возрастом более 60 лет, более половины поставщиков которых уже закрылись или поменяли производство. Наряду с большим количеством других новых производственных технологий она также предлагает замечательные новые возможности для производства ядерных реакторов следующих поколений, будь то реакторы на синтезе или распаде.

Очевидных преимуществ у неё много – ускорять прототипирование новых реакторов и концепций, обеспечивать функционирование реакторов в удалённых поселениях и будущих колониях на Луне и Марсе без необходимости полагаться на сложную цепочку поставок. Не на последнем месте стоит и вопрос стоимости – производство реактора таким методом должно обойтись значительно дешевле, и, возможно, позволит производить и собирать реакторы прямо на местах.

Всё это, очевидно, не очень интересно людям, не имеющим доступа к SLM-принтерам – но, кто знает, возможно, лет через десять мы все будем печатать у себя дома собственные ракетные двигатели и компоненты термоядерных реакторов.
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 27

    0
    С ума сошли, и так вся Европа в ужасе от радиактивного облака из Ленинградской области.
      0
      Даже «вся Европа», которая «в ужасе» признает, что уровень абсолютно незначительный и вообще ни на что не повлияет. Просто намерили изотопный состав и предупредили, мол у вас там что-то сломалось.

      Я уж не говорю о том, что ООН признали, что даже после Чернобыля не было повышенной смертности от рака/генетических заболеваний, как и Международная комиссия радиологической защиты понизила риск в 10 раз. А тут паника из-за ультраслабого повышения фона
        0
        // Просто намерили изотопный состав и предупредили, мол у вас там что-то сломалось.

        Проблема в том, что часто это единственный способ узнать что на российской АЭС что-то сломалось — по зарубежному мониторингу.

        Это намекает на специфическое отношение к своим косякам, которое поощряет новые ошибки.
          0

          Политику от реальности тут не отличить. Чего они там намерили так, что у нас фон нормальный а у них нет — загадка. И такое часто случается, не первый раз в Европе меряют изотопы, которые у нас в норме, а виноваты мы в итоге. Особенно с современным антиядерным лобби и массовой зеленой истерией


          Военные у нас скрывать любят, а на АЭС в современной истории нет такой моды.

            0
            // не первый раз в Европе меряют изотопы, которые у нас в норме, а виноваты мы в итоге

            Как в 2017? Когда рутений обнаружили не только заграничные спецы, но и Росгидромет в Челябинске? Но Маяк ведь заявляет что у них ничего не происходило.

            Что случилось то? Враги подбросили?

            Враги слухи все распространяют, а потом в больницы привозят людей с лучевой болезнью, как с более поздней аварией ракетного реактора.
              0

              Ну и в чем посыл-то, если наши службы тоже замерили и сообщили?
              И вы сравнивали расположение в пространстве и времени замеряющих у Маяка и росгидромета? Методику, естественный фон и нормы(они у всех разные).


              Зерна от плевел, причем тут военные (как будто они только у нас молчаливые)? И про лучевую болезнь вроде как неподтверждено, от взрыва умирали?

                0
                // Ну и в чем посыл-то, если наши службы тоже замерили и сообщили?

                До причины-то докопались? Или мучительная неизвестность?
                  0

                  Уровни содержания Рутения-106 были на несколько порядков ниже допустимой объемной активности, установленной нормами радиационной безопасности НРБ-99/2009. Отмечалось, что для данного радионуклида критерии Экстремально Высокого Загрязнения (ЭВЗ) не установлены.


                  Вы докапываетесь до причины, когда вам ветерок в затылок подул, подаете иски в прокуратуру, международные сообщества делают заявления? Вообще никакой политики, только забота о российских гражданах)
                  Самое главное, как вы собираетесь физически опознавать источник микроконцентраций рутения?)

                    0
                    // Самое главное, как вы собираетесь физически опознавать источник микроконцентраций рутения?)

                    Росгидромет чует загрязнение с расстояния минимум в десятки км, а Маяк проблему найти не может по пробам с места — те концентрации там должны быть выше на порядки. Ага, верю.

                    «Критерии загрязнения не установлены», значит все в порядке. По инструкции можно причину и не искать.

                    Была явная проблема. Ее причины можно было установить, а можно было замять. Ее замяли. Цикл заминаний проблем всегда кончается одинаково. Дикси.
                      0

                      Где я сказал, что критерии не установлены? Я говорил, что они разные могут быть. На Алтае и в Карелии естественный уровень радиации больше, чем в Чернобыле, сечете фишку?


                      С каких пор уровни ниже предельной более чем в сто раз "явная проблема"? Я вижу "явную проблему" только с мозгами у людей, которые в истерику бросаются от микроуровней изотопов, но не от оксида серы с ближайшей ТЭС, который эту норму зашкаливает

                        0
                        Обычно то выбросов нет? То есть факт утечки налицо.

                        Неопасной утечки, да.

                        Но в отчете Маяка не сказано — у нас была мелкая утечка, эквивалентная тысяче бананов, мы все выяснили и наказали кого попало.

                        У них сказано — «никаких проблем». Это и называется заминанием.

                        // На Алтае и в Карелии естественный уровень радиации больше, чем в Чернобыле, сечете фишку?

                        Вы, я вижу, большой специалист. А биоаккумулируемых радиоактивных изотопов на Алтае тоже больше чем в Чернобыле? Конкретно по стронцию будьте любезны.
                          0
                          Конкретно по стронцию будьте любезны.

                          Зачем? Я что-то утверждал про стронций? Пример был о том, что в одном месте одна норма, в другом другая, для Чернобыля норма фона ниже.
                          А биоаккумулируемых радиоактивных изотопов на Алтае тоже больше чем в Чернобыле?

                          Каких-то больше, каких-то меньше. В Чернобыле, очевидно, нет ТЭС, и так что некоторых продуктов распада урана и тория там меньше, чем рядом с ТЭС в перечисленных регионах.

                          Кроме того, ваш под забавный термин «биоаккумулируемые радиоактивные изотопы» попадает углерод 14, который распадается по бета-каналу (хоть и медленно), а значит радиоактивен. Он есть в любой органике. Следовательно, чем больше живых организмов — тем больше «биоаккумулируемых радиоактивных изотопов» :)
                            0
                            Вижу что по факту заминания возражений нет. Вот и славненько.
                              0
                              Какому факту?) Вы не отличаете факты от домыслов)
                                0
                                Мы обсуждаем пиар проблему — способен Маяк убедить окружающих в том что он адекватно реагирует на проблему или нет.

                                Вы все сводите к формализму — если утечка отвечает нормам, то утечки вообще не существует.

                                — Не всех можно успокоить рациональными доводами. Но если домашние беспокоятся что я пролил немного дихлорэтана то у меня есть два пути
                                1 объяснить что это не опасная утечка и я в любом случае буду работать осторожнее
                                2 объявить что утечки не было

                                По вашему 2 это хорошее решение. А что окружающие агрятся это все происки Запада. Считайте.
                                  0

                                  https://www.rbc.ru/society/03/07/2020/5efe64599a79475f8c07fe8a
                                  МАГАТЭ так не считает.
                                  Выброс не связан с аварией, это нормальное явление.
                                  И никто не может определять источник "с точностью до 10км", так что заявления что это на стороне России при том — голословные, хотя это и более верятно, так как у нас больше ядерных объектов.

                                    0
                                    // МАГАТЭ так не считает.

                                    по вашей же ссылке
                                    // В МАГАТЭ сообщили, что определить источник попадания радионуклидов в атмосферу можно будет только в том случае, если об этом поступит информация из страны, где произошел выброс.
                                    в исходнике
                                    // Russian Federation,… had voluntarily reported to the IAEA that there were no events on their territories that explained the release

                                    В общем позиция магате простая — не признался, не вор.

                                    // заявления что это на стороне России при том — голословные

                                    Доказательств нет, согласен. Но слово «голословные» оно очень сильное.

                                    Учитывая что повышенный рутений намеряли еще в Челябинске единственные альтернативы это или Китай или враги-шпионы.

                                    Шпионам я лично таки назначу низкую вероятность — сложно и огромные риски при провале.

                                    Китай? Это дополнительные 2-3 тысячи км. И ни в России ни в Средней азии не взяли заборов которые бы показывали на Китай? Сомневаюсь.

                                    Голословно тут очень сильное слово — Россия явно главный подозреваемый.
                                      0

                                      Вы специально игнорируете прочитанное? У них написанно, что источник — не авария, а нормально функционирующий реактор на обслуживании

                                        0
                                        И что? Я что-то говорил про АВАРИЮ? Я говорил про выброс — выброс есть.

                                        Маяк не заметил выброс который увидели в Европе? У них плохо с мониторингом.

                                        Они знают о выбросе, но предпочитают его отридцать, вместо того чтобы трубить о его безвредности? У них плохо с пиаром.

                                        Если вы намерены педалировать НОРМАЛЬНОСТЬ этого события — то до свидания. Оно нормально в смысле безвредности, возможно укладывается в конкретные нормы. Но оно явно выделяется в том смысле что каждый день и даже каждый год такие выбросы не видят. Так что повышенное внимание к такому событию вполне естественно и переход на обострение после полного отрицалова виновника тоже.
                                        0
                                        И ни в России ни в Средней азии не взяли заборов которые бы показывали на Китай?


                                        Если говорить про «лишние 2-3 тысячи км», значит взять по узлам сетки квадратной с шагом 200 км пробы этого изотопа. Но конечно не возле других возможных техногенных источников.
                                          0
                                          // не возле других возможных техногенных источников.

                                          Открываем карту — восточнее BELOYARSK 3-4 на Южном Урале у России реакторов нет.

                                          Даже единичная проба восточнее Урала бы указывала на Китай. А пара проб с повышенным содержанием у восточной сошла бы за доказательство.
            0
            Небольшой фон даже полезен для здоровья. :)
              0

              Под водочку с огурчиками?

                0

                Это правда

                  0
                  А 500 миллионов лет назад излучение было полезным для эволюции.
                0
                Что за «маленькие реакторы»? У нас ведь загруженный энергоблок без стержней-замедлителей — это «медленно взрывающаяся бомба». Если без отражателей (внешних) нейтроны будут просто покидать активную зону, то никакой цепной реакции не получится.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое