Ponad 400 reaktorów jądrowych wytwarza 10% energii elektrycznej na całym świecie, co stanowi jedną trzecią produkcji energii niskoemisyjnej. Z tej liczby jednak zaledwie 30% stanowią reaktory, które mają mniej niż 30 lat. Ogólnie rzec ujmując można stwierdzić, że jeśli dotychczasowa tendencja z ostatnich lat nie ulegnie odwróceniu, wkrótce więcej reaktorów będzie wygaszanych niż budowanych.
W Stanach Zjednoczonych, gdzie elektrownie jądrowe generują jedną piątą energii elektrycznej w skali kraju, w ostatnim dwudziestoleciu zbudowano tylko jeden nowy reaktor (Watts Bar Unit 2 – 2016 r.). Poprzedni powstał w 1996 r. (Watts Bar Unit 1). Z 96 działających w tym kraju reaktorów energetycznych ponad połowa może zostać zamknięta w perspektywie kolejnych dwóch dekad. Wydłużanie licencji na funkcjonowanie reaktorów o kolejne 20 lat nie wyeliminuje problemu, jedynie odroczy w czasie konieczność podjęcia decyzji o przedsięwzięciu konkretnych środków zapobiegawczych.
W tej sytuacji, prace nad projektami nowych reaktorów stanowią ambitne wyzwanie. Nie ulega wątpliwości, że potrzeba rozwiązań zapewniających obniżenie kosztów i czasu procesu konstrukcyjnego. Badacze z ORNL (Oak Ridge National Laboratory) w stanie Tennessee podjęli to wyzwanie w ramach projektu TCR (Transformational Challenge Reactor), który, jak wyjaśnia Thomas Zacharia, dyrektor ORNL, stawia sobie za cel przedstawienie nowego modelu dla przyspieszonego rozwoju zaawansowanych systemów energii jądrowej. Jednym z aspektów projektu, jest wykorzystanie na bezprecedensową skalę rozwiązań w zakresie wytwarzania przyrostowego na potrzeby konstrukcji reaktora. Kurt Terrani, dyrektor programu TCR, przekonuje, że z użyciem druku przestrzennego możliwe stanie się spożytkowanie materiałów i technologii, których przez dziesięciolecia nie udało się wykorzystać do zastosowań energetyki jądrowej. Jego zdaniem, cała koncepcja TCR nie byłaby możliwa bez znaczących osiągnięć w rozwoju technologii wytwarzania przyrostowego.
Skromne początki
Obecnie mijają trzy lata od momentu, kiedy po raz pierwszy element wytworzony techniką przyrostową został dopuszczony do użytku w energetyce jądrowej. W 2017 r. w słoweńskiej elektrowni Krško w zespole pompy pompy przeciwpożarowej wymieniono wirnik, będący w ciągłym działaniu od 1981 r., kiedy powstała elektrownia. Jako że firma, która wyprodukowała oryginalny element od dawna już nie funkcjonuje, konieczne było sporządzenie części zamiennej od podstaw. We współpracy z centrum technologii przyrostowych Siemensa w szwedzkim Finspång powstał zamiennik, wyprodukowany w całości przy użyciu druku przestrzennego z metalu.
Wobec faktu, że większość elektrowni jądrowych na świecie ma już za sobą dziesiątki lat funkcjonowania, niewątpliwie wytwarzanie podzespołów zamiennych dla wyeksploatowanych części starego typu urządzeń stanowi istotne pole do działania dla specjalistów od druku przestrzennego w energetyce jądrowej. Nie wyczerpuje to jednak całej gamy możliwości, które dla branży niesie wytwarzanie przyrostowe.
Inżynierowie firmy Westinghouse Electric Company jako jedni z pierwszych podjęli się opracowania części wytworzonych przyrostowo przeznaczonych do bezpośredniego użycia w podzespole reaktora jądrowego. Przykładowo, wykonany ze stali nierdzewnej 316L w technice Laser Powder Bed Fusion przyrząd służy do zagłębiania prętów paliwowych do rdzenia reaktora. Zdaniem producenta, druk przestrzenny stanowi doskonałe rozwiązanie do produkcji wysoko wyspecjalizowanych, jednostkowych urządzeń. W tym przypadku wykonanie przyrządu w nowej technologii nie wiązało się z żadnym ryzykiem dla bezpieczeństwa reaktora, niemniej jest to istotny kamień milowy na drodze do rozszerzenia aplikacji wytwarzania przyrostowego na kluczowe podzespoły reaktora.
Ambitne plany
Tymczasem w ORNL w ramach programu TCR analizowane są możliwości wytwarzania przyrostowego w zakresie produkcji kluczowych komponentów reaktorów jądrowych, takich jak elementy rdzenia reaktora. Projektowany reaktor ma być demonstratorem szeregu rozwiązań technologicznych, które mogą przyczynić się do zmiany sposobu w jaki budowane będą w przyszłości elektrownie atomowe. Jako konstrukcja eksperymentalna, TCR będzie niewielki, o mocy cieplnej rzędu zaledwie 3 MW. Dzięki temu możliwe będzie zrealizowanie całego programu, od momentu rozpoczęcia prac koncepcyjnych po budowę funkcjonalnego prototypu, w ok. 4 lata (2019-2023).
TCR powstaje jako zaawansowany reaktor chłodzony gazem, wykorzystujący sprężony hel do chłodzenia i wodorek itru jako moderator, zmniejszający energię kinetyczną neutronów. Reaktor będzie zabudowany w konwencjonalnym zbiorniku ze stali nierdzewnej 304H i otoczony wytworzonym przyrostowo stalowym reflektorem. Całość będzie przykryta betonową osłoną. Do napędu reaktora posłuży paliwo UN-TRISO – izotopowe trójwarstwowe paliwo ceramiczne na bazie azotku uranu, wykazujące się wysoką odpornością termiczną (nawet do 1800 °C) i niską rozszerzalnością termiczną w porównaniu do klasycznych prętów paliwowych. Paliwo do rdzenia będzie trafiać w postaci zintegrowanych zespołów paliwowych, zawierających granulat TRISO w matrycy z węglika krzemu. Rozmieszczone w specjalnych przegrodach rdzenia, wykonanych techniką SLM ze stali nierdzewnej 316L, zespoły paliwowe będą oddzielone elementami moderatora na bazie wodorku itru.
Technologia dla TCR
Technologia produkcji zespołów paliwowych opracowana na potrzeby programu TCR obejmuje dwie zaawansowane techniki, umożliwiające uzyskanie konstrukcji niewykonalnych dla tradycyjnych metod przemysłowych. W pierwszej fazie metodą binder jetting powstaje szkielet, zbudowany z ceramicznego proszku SiC o ziarnach wielkości 20-25 μm, spojonego lepiszczem organicznym. Wolna przestrzeń wewnątrz szkieletu w kolejnej fazie napełniana jest mieszaniną cząstek SiC i granulatem TRISO, z wysoką zawartością granulek TRISO o wielkości rzędu 350-800 μm sięgającą 62-65%. Na koniec tak przygotowany zespół jest spajany metodą chemicznej infiltracji z fazy gazowej przy użyciu prekursora MTS (metylotrichlorosilan – CH3Cl3Si) i cząstek wodoru jako gazu nośnego, w ramach której wypaleniu ulega lepiszcze, a powstałe w ten sposób pory są zagęszczane węglikiem krzemu, uzyskanym z dekompozycji prekursora. Znajdująca się w środku mieszanka ceramicznego proszku i granulatu paliwa również ulega zagęszczeniu, w wyniku którego granulki TRISO zostają zatopione w strukturze ceramicznej. Proces przebiega w temperaturze ponad 1000 °C w podciśnieniu 200 Tr. Po osiągnięciu zagęszczenia struktury wewnętrznej na poziomie ok. 90%, MTS przestaje przenikać w głąb struktury i ulega dekompozycji na na ścianach zewnętrznych szkieletu, tworząc wytrzymałą i hermetyczną barierę ochronną z węglika krzemu. Na obecnym etapie prac nad TCR, próbki uzyskanej struktury tego typu przygotowano do napromieniowania, w celu zbadania zmian we właściwościach w środowisku wysokiej promieniotwórczości.
Oprócz granulek paliwa, w strukturach ceramicznych wytwarzanych metodą binder jetting i zagęszczanych w procesie chemicznej infiltracji z fazy gazowej, badacze z ORNL planują umieścić także systemy sensoryczne, których zadaniem będzie dostarczenie danych o rozkładzie temperatury i naprężeń w strukturze podzespołów rdzenia, a także do monitoringu parametrów reaktora, takich jak temperatura paliwa czy strumień neutronów. W ramach prac nad projektem TCR wytworzono próbki elementów ceramicznych z zintegrowanymi sensorami na bazie metali ogniotrwałych i włókien światłowodowych. Próbki poddano doświadczeniom, których celem było wytypowanie najbardziej perspektywicznych materiałów; sprawdzenie, czy użyte sensory będą w stanie wytrzymać proces chemicznej infiltracji i czy po schłodzeniu pozostaną wtopione w strukturę próbki, a także to, jak będą działać w środowisku napromieniowanym o wysokiej temperaturze.
Wykorzystując zaawansowane technologie produkcyjne, program TCR dąży do implementacji zaawansowanych metod kontroli w czasie rzeczywistym, co ma w znacznym stopniu przyczynić się do obniżenia kosztów i redukcji czasu procesu konstrukcyjnego. Docelowo może pomóc także w przezwyciężeniu ograniczeń obecnego procesu kwalifikacji i licencjonowania podzespołów dla energetyki jądrowej. Jest to wielkie wyzwanie, gdyż np. przy wytwarzaniu przyrostowym metodą SLM, liczba parametrów procesu, mających wpływ na jakość wydruku jest duża, co wiąże się z koniecznością pozyskania dużej ilości danych i ich analizy na bieżąco. Jest to jednak o tyle istotne, że umożliwia powiązanie wyników testów fizycznych gotowych elementów, z konkretnymi parametrami procesu produkcyjnego. Ostatecznie, dzięki zdobytemu doświadczeniu, badacze z ORNL mają nadzieje, że będą w stanie śledzić i kontrolować na bieżąco szereg kluczowych wartości technologicznych pod kątem docelowego zastosowania produktu. W oparciu o takie doświadczenia możliwe będzie wytypowanie nowych standardów certyfikacji dla podzespołów wykonanych metodami przyrostowymi na potrzeby przemysłu jądrowego.
Podsumowanie
Prezentowane rozwiązania to efekt kilku miesięcy intensywnej pracy w ramach programu TCR. Dzięki temu, jak przekonuje Kurt Terrani, już dziś można powiedzieć, że w oparciu o przedstawione technologie można zbudować rdzeń reaktora jądrowego, wykonany technikami wytwarzania przyrostowego. W trudnej sytuacji, w jakiej znalazła się obecnie energetyka jądrowa, podjęty wysiłek może zapoczątkować nową ścieżkę błyskawicznej innowacji w rozwoju przemysłu nuklearnego.
Jacek Zbierski
Bibliografia:
[1] J. Simson et al., Considerations for Application of Additive Manufacturing to Nuclear Reactor Core Components, ORNL 2019
[2] C. Petrie et al., Embedment of Sensors in Ceramic Structures, ORNL 2019
[3] M. Trammell et al., Advanced Nuclear Fuel Fabrication: Particle Fuel Concept for TCR, ORNL 2019
[4] G. Vasudevamurthy et al., Fabrication and Characterization Methodology of Transformational Challenge Reactor Fuel Form, ORNL 2020
artykuł pochodzi z wydania 6/7 (153/154) czerwiec/lipiec 2020
