AM se vuelve nuclear: USNC sobre cómo está utilizando la impresión 3D para producir su combustible FCM

Aug 06, 2023

"Nuestra misión es energía confiable en cualquier lugar", comienza el Dr. Kurt Terrani.

El ex Director Técnico Nacional deLaboratorio Nacional de Oak Ridge(ORNL) habla conTCTen su último cargo como director de la empresa con sede en SeattleCorporación nuclear ultra segura (USCN). Él cree que USNC está en la 'vanguardia' del combustible nuclear y el diseño del reactor, con la disponibilidad comercial del combustible totalmente cerámico microencapsulado (FCM) configurado para representar un 'momento decisivo en la producción de energía sin carbono' en los EE. UU. y más allá. .

Apoyar la ambición de la empresa esde ExOne tecnología de inyección de aglomerante, que facilita un paso clave en la fabricación del combustible FCM de UNSC. USNC está trabajando con dos propuestas de valor. El primero son los diseños de reactores nucleares que, siempre que la gravedad esté presente y el fluido caliente suba a la parte superior mientras que el fluido frío vaya al fondo, son inherentemente seguros. Y el segundo es la forma de combustible FCM que trae múltiples barreras a la liberación de radionúclidos, garantizando así la seguridad nuclear.

FCM ve el combustible TRISO estándar de la industria, que contiene los subproductos radiactivos de la fisión dentro de revestimientos cerámicos en capas, encerrados dentro de una matriz de carburo completamente densa. Terrani explica: "Todo el juego es mantener la radiación dentro del núcleo del reactor nuclear. En algunos de los diseños [convencionales], construyen grandes recipientes y grandes cúpulas de contención de hormigón [pero] estas personas decidieron hace mucho tiempo cuándo pasar esa carga a el combustible en sí, por lo que hicieron pequeñas partículas de combustible, de aproximadamente un milímetro de diámetro, y pusieron varias capas de revestimiento cerámico a su alrededor".

Históricamente, las partículas de combustible podrían colocarse en un pegamento de carbono que mantiene unidos los recipientes a presión pequeños, pero no se considera que esto brinde 'muchos beneficios en la liberación de radionúclidos'. Mitigar esa liberación es el objetivo de USNC, y para hacerlo ha buscado colocar partículas de combustible en cubiertas de carburo de silicio, que son mecánica, térmica y ambientalmente estables. Anteriormente ha sido un desafío fabricar carburo de silicio de alta pureza, pero la fabricación aditiva se considera la tecnología habilitadora que está facilitando la transición en USNC.

"El estándar de oro es sinterizar el material a temperaturas muy altas, más de 2000 °C, o hacer este proceso llamado deposición química de vapor, [que es] extremadamente costoso", dice Terrani. "Luego obtienes grandes trozos de material que tienes que mecanizar. Ese es otro desafío [porque] lo único que puede cortar el carburo de silicio es el diamante, por lo que entras en este juego de material extremadamente costoso, mecanizado extremadamente costoso. Cualquiera que busque en eso finalmente decide alejarse. Bueno, no podíamos alejarnos. El carburo de silicio es un material que necesitamos en nuestra propuesta de valor".

La impresión 3D por chorro de aglutinante es la solución aquí debido a su capacidad para procesar materiales a temperatura ambiente: el carburo de silicio comenzaría a disociarse a temperaturas más altas, por lo que los procesos que utilizan un haz de electrones o un haz de láser pueden descartarse.

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Exposición en el evento de impresión 3D y fabricación aditiva definitivo y más influyente del Reino Unido, TCT 3Sixty.

"Utilizamos chorro de aglomerante para formar carburo de silicio en estructuras extremadamente complejas y lo que es único acerca de esta técnica es que le brinda total libertad en 3D", continúa Terrani. "Muchas veces con aditivos, hay un cierto espacio donde se pueden fabricar piezas, pero con el chorro de aglutinante, se puede lograr cualquier tipo de geometría. Entonces, tomamos este carburo de silicio, altamente poroso, y lo llevamos a otro proceso llamado infiltración de vapor químico. Tenemos un cuerpo que está hecho [de] partículas de carburo de silicio pegadas entre sí. Seleccionamos carburo de silicio muy puro y altamente cristalino, porque eso es lo que queremos para nuestra aplicación, y luego la pequeña cantidad de aglutinante desaparece. a medida que lo calientas. Luego, depositas más carburo de silicio en los poros a través de la infiltración de vapor químico".

Durante el proceso de infiltración de vapor químico, las estructuras de carburo de silicio se vierten en el horno y se utiliza más carburo de silicio para llenar todo el espacio abierto. El resultado es un 'carburo de silicio relativamente denso, completamente sellado en la superficie, fuerte y altamente puro en una geometría muy compleja' que forma las capas que se convierten en parte de la forma de combustible FCM de USNC. Para los miles de elementos combustibles que salen de las impresoras 3D de inyección de aglomerante de ExOne, se integran códigos de barras únicos durante el proceso de impresión para permitir que USNC gestione la calidad. Desde el exterior, estos elementos parecen un trozo de carburo de silicio, pero en el interior, las partículas de combustible se han dispuesto de una manera muy particular para integrar elementos como los canales de refrigeración cuando corresponda.

Estas partículas de combustible se utilizan luego en los sistemas de energía del reactor micro modular (MMR) de la USNC, que utiliza helio como gas inerte porque no reacciona químicamente con el combustible ni con los componentes del núcleo del reactor. USNC cree que su diseño MMR tiene la densidad de potencia más baja y la relación de área de superficie a potencia más alta de cualquier reactor jamás comercializado. Cuando se conectan múltiples sistemas MMR, podrán alimentar plantas químicas, grandes sitios industriales, comunidades remotas y ciudades enteras. Actualmente se están realizando pruebas en un reactor holandés, con licencias avanzadas en progreso en Canadá para unidades de demostración y primera aplicación programadas para la primera energía nuclear en 2026.

USNC

Dentro de las instalaciones de USNC.

A medida que USNC avanza en el desarrollo de sus sistemas MMR y forma de combustible FCM listos para su implementación futura, la compañía anticipa invertir en más sistemas de chorro de aglomerante ExOne. Actualmente utiliza tanto la máquina X160Pro, que se utiliza para la impresión de grandes estructuras sin combustible, como la X25Pro para fabricar las estructuras en las que se integra el combustible. USNC también tiene una División de Tecnología Avanzada enfocada en aplicaciones espaciales y de propulsión que también se apoya en la capacidad de impresión 3D interna. Algunas máquinas funcionan con carburo de silicio y otras con carburo de circonio, y el mismo proceso de infiltración de vapor químico ocurre después de la impresión.

"Con estas máquinas, estamos haciendo un trabajo de calidad nuclear", dice Terrani. "Una vez que se usa cierto tipo de pólvora, nunca cambiarás. No vamos a cambiar aunque los sistemas estén diseñados de esa manera. [Con] el rigor de la calidad nuclear que se nos impone, debemos mantener los sistemas son muy limpios y están dedicados a un proceso muy específico. Es por eso que tenemos múltiples sistemas, para diferentes componentes y también diferentes carburos cerámicos que se prestan a nuestros diferentes diseños".

Terrani cree que los diseños de reactores anteriores, por ejemplo, se han visto afectados por las limitaciones de los procesos de fabricación convencionales, citando la variedad de varillas que componen los reactores de agua ligera tradicionales que solo se han producido de manera uniforme porque los fabricantes no querían cambiar sus herramientas. para cada varilla. La fabricación aditiva proporciona una solución aquí para UNSC, tal como lo hace en las carcasas de carburo de silicio para su forma de combustible FCM.

Hoy, USNC confía en que ha superado todos los obstáculos clave de investigación y desarrollo en su camino y ahora se está embarcando en la ingeniería, la concesión de licencias y la implementación. A medida que se intensifica la emergencia climática, aumenta la necesidad de energía más limpia y confiable. El USNC inició su misión en 2011, el mismo año en que la instalación de energía nuclear de Fukushima Daiichi vio destruidos todos sus generadores de energía menos uno por un tsunami. Fue el accidente nuclear más grave desde el desastre de Chernobyl en 1986, con 154.000 personas que tuvieron que ser evacuadas.

Esos incidentes, aunque raros e imprevistos, dañaron significativamente la reputación de la energía nuclear. Muchos sitios fueron desmantelados después, mientras que Greenpeace ha hecho campaña durante mucho tiempo contra el uso de la energía nuclear. Pero al generar avances en la tecnología que impulsa su MMR y FCM, y al enfatizar la producción baja en carbono de la energía nuclear, USNC detecta un cambio potencial en el estado de ánimo de la música y es uno de los que avanza con un reactor moderno y más eficiente, impulsado por combustible más nuevo y más limpio.

"El cambio climático está sobre nosotros", finaliza Terrani. "Cualquiera que diga que hay una solución, creo que no está siendo sincero, pero la energía nuclear es claramente una parte muy importante de esto. Mire la energía nuclear tal como está disponible hoy en día, son diseños de los años 50 y 60 que se han modificado un poco en las décadas de 1970 y 1980. Hay dos cosas que no están en sintonía con el lugar en el que nos encontramos en 2022. Número uno, económicamente, son muy caras: estás hablando de gastar entre 10 y 20 mil millones de dólares para construir una de estas cosas. y número dos, la filosofía de la seguridad era diferente. En los años 50 y 60, propusieron algunos escenarios límite y dijeron, 'nos aseguraremos de que el reactor sea seguro bajo estos escenarios límite [...] y cualquier cosa más allá de eso, nosotros no te preocupes por eso.' Y no me refiero a los diseños orientales que descartaron incluso esos principios básicos, como Chernobyl.

"Los principios de diseño y filosofía están desactualizados y, económicamente, la energía nuclear como se hacía antes está condenada. ¿Qué se necesita? Puedo decírtelo. Muchas veces, la gente piensa que la energía nuclear no es una cuestión de opinión pública. Esa es una excusa. La energía nuclear no está allí porque los proveedores no pueden ofrecerla".

por Sam Davis

3 enero 2023

10:00