Reatores nucleares de impressão 3D para entretenimento e enriquecimento

Nas últimas décadas, tecnologias aditivas , também conhecidas como impressão 3D, são cada vez mais encontradas na fabricação. Antes de tudo, eles são adequados para a prototipagem de novos produtos - pouco tempo passa entre o desenvolvimento e o teste. No entanto, eles estão sendo cada vez mais utilizados na produção de tudo, desde pequenos lotes de mercadorias a carcaças sob medida e até componentes de motores de foguetes.



A vantagem óbvia das tecnologias aditivas é que eles usam equipamentos inespecíficos e materiais comuns como recursos, não precisam de moldes caros, como moldagem por injeção, e não exigem um processo de usinagem demorado e demorado em fresadoras e máquinas similares. Toda a produção se resume a alimentar um modelo 3D e um ou mais materiais de entrada para a entrada do dispositivo de impressão - e esse dispositivo transforma o modelo 3D em um objeto físico com muito pouco desperdício.



A indústria nuclear não negligenciou essas vantagens. Como resultado, vários componentes são fabricados em impressoras 3D - desde os que suportam a operação dos reatores existentes até as ferramentas que ajudam a processar combustível irradiado e até reatores nucleares em geral.

Esta não é sua modelagem de deposição fundida usual

Qualquer usuário de uma impressora 3D que trabalhe com SLA de resina sensível ao PLA, ABS ou UV pode confirmar que é difícil superar o custo de produzir itens dessa maneira. O processo de fabricação de tudo, desde uma engrenagem quebrada em um motor até um caso especial para uma nova placa de circuito impresso, será mais rápido e mais barato que os tradicionais - quando se trata de fazer um pequeno número de cópias.





Relatividade Espaço imprime Aeon Engine



É por isso que a indústria aeroespacial, da NASA às startups em campo, tem uma atitude calorosa em relação ao uso de tecnologias aditivas para a criação de protótipos e a própria produção. Motores de foguete e seus inúmeros componentes, incluindo turbobombas e válvulas, são produzidos idealmente usando impressão 3D. Cada mecanismo de protótipo é diferente do anterior e, no total, são produzidos várias centenas por ano - como é o caso do mecanismo Merlin 1D do foguete SpaceX Falcon 9. As startups, em particular, o Relativity Space , sugerem que o uso de tecnologias aditivas transformará completamente a indústria espacial.



Naturalmente, aqui não estamos falando de uma impressora de até US $ 2000, fabricada com a tecnologia FDM (modelagem de deposição ) peças plásticas de PLA ou ABS. E nem mesmo as impressoras SLA da moda ( litografia a laser estéreo ), que custam um carro. Para imprimir alumínio ou mesmo peças de titânio, você precisa de uma impressora SLM ( fusão a laser seletiva ), que também é uma impressora direta a metal para fusão a laser. Esse é outro passo depois das impressoras SLS ( Seletive Laser Sintering ), que unem materiais (nylon, metal, cerâmica ou vidro), mas não os derretem.



SLM é semelhante ao SLA, apenas o princípio de impressão é revertido. O pó de metal fresco é adicionado à parte impressa, o laser derrete e adiciona uma nova camada. Tudo acontece em um recipiente hermético cheio de gás inerte para evitar a oxidação. Você pode adivinhar que os carros para o SLM já são como uma casa inteira.



Para comparação, no site da All3DP existe uma placa que lista os custos de fabricação de um modelo de barco Benchy padrão ao imprimir a partir de vários metais.

Reator nuclear

O próximo passo natural na tecnologia aditiva será passar do inferno de calor de um motor de foguete para um ambiente de reator nuclear mais silencioso - embora possivelmente mais radioativo. Os reatores nucleares são lucrativos para serem fabricados em grandes quantidades, e então economias de escala funcionam. No entanto, nas últimas décadas nos Estados Unidos, por exemplo, esse mercado praticamente desapareceu, embora fosse bastante extenso.



Quando ex-gigantes da indústria nuclear quiseram voltar ao jogo - os EUA com o reator AP1000 e a França com o reator EPR- descobriu-se que exatamente as mesmas usinas nucleares foram construídas na China (que possui uma forte indústria nuclear). 4 reatores AP1000 e 2 reatores EPR foram conectados à rede muitos anos antes dos países que os desenvolveram planejarem construí-los e conectá-los. Ironicamente, as bombas de resfriamento no AP1000 fabricadas nos EUA estão sujeitas a falhas constantes .



O problema de qualquer projeto significativo de infraestrutura é a disponibilidade do conhecimento e das cadeias de suprimentos necessários. Quando um país constrói e mantém usinas nucleares regularmente, mantém a cadeia de suprimentos e os especialistas necessários para trabalhar com elas. Quando um país para de construir novas usinas nucleares por várias décadas, as cadeias de suprimentos desaparecem e o conhecimento é perdido. Obviamente, você pode reconstruir toda a produção e atrair pessoas, mas faz sentido considerar abordagens mais eficientes para a produção desses equipamentos.



Em uma tentativa dos EUA de alcançar países como o Canadá, a Rússia [que está em primeiro lugar no mundopelo número de usinas nucleares em construção] e pela Coréia do Sul, o Departamento de Energia dos EUA atribuiu ao Laboratório Nacional de Oak Ridge a tarefa de liderar o programa Transformational Challenge Reactor (TCR). O programa deve "demonstrar uma abordagem revolucionária para a implantação de novos sistemas de energia nuclear". De fato, o objetivo do projeto é imprimir em 3D o maior número possível de micro-reatores, para demonstrar as possibilidades oferecidas pelas tecnologias aditivas.

Trabalhe em detalhes

Trabalhando com o Laboratório Nacional de Argonne (ANL) e o Laboratório Nacional de Idaho (INL), a ORNL está trabalhando nos muitos detalhes envolvidos em uma mudança tão radical no processo de fabricação, levando em consideração os requisitos crescentes de materiais usados ​​em um reator nuclear. Perguntas são levantadas sobre distorção de calor e fadiga de materiais em comparação com componentes convencionais. Alguns dos resultados desses estudos são descritos em novos trabalhos , que podem fornecer uma idéia da quantidade de trabalho investido na pesquisa da viabilidade dessa abordagem.



A ANL já publicou descobertas feitas no processo de impressão SLM usando imagens de raios X de alta velocidade, permitindo que você veja o processo em detalhes. Um dos principais problemas que eles descobriram está relacionado ao fluxo forçado de ar, devido ao qual o material mais frio é sugado para a massa derretida. Como resultado, essas peças de material frio causam defeitos no produto acabado.



Na lista de fatos do projeto TCRé descrito que o microrreator precisará usar partículas de combustível TRISO (nitreto de urânio), um moderador de nêutrons de hidreto de ítrio e um núcleo de carboneto de silício e aço inoxidável impresso em uma impressora 3D. O reator será resfriado com hélio, o que é bastante singular, pois a maioria dos reatores modernos usa água, água pesada ou sódio para resfriamento.



Como o programa TCR é bastante jovem ( publicado pela primeira vez em 2019), é difícil avaliar seu progresso ou entender o que esperar dele. Para fazer isso, podemos avaliar o que já aconteceu no processo de integração de tecnologias aditivas na indústria nuclear.

Integração de tecnologias aditivas na indústria nuclear

Até agora, componentes relativamente simples são impressos em uma impressora 3D para reatores nucleares. Em 2017, a Siemens substituiu um impulsor de 108 mm em uma bomba de incêndio na usina nuclear de Krško, na Eslovênia, por uma cópia impressa em 3D. O fabricante original da bomba já desligou desde que a bomba foi instalada em 1980.



Westinghouse também está trabalhando nessa direção e instalou recentemente uma manga impressa em 3D no primeiro módulo da usina nuclear de Byron . Este dispositivo segura as barras de combustívelcomo eles descem para o reator. Um dos principais motivos para a instalação é o desejo de entender como o ambiente de um reator nuclear afetará os materiais impressos em uma impressora 3D e se haverá alguma diferença com os componentes fabricados da maneira usual.

Vamos resumir

É claro que a impressão 3D tem um futuro promissor na fabricação. No caso da indústria nuclear, ela não apenas oferece uma boa maneira de produzir peças de reposição para reatores com mais de 60 anos, mais da metade de cujos fornecedores já fecharam ou alteraram a produção. Juntamente com muitas outras novas tecnologias de fabricação, também oferece novas oportunidades empolgantes para a próxima geração de reatores nucleares, sejam eles de fusão ou de fissão.



Ela tem muitas vantagens óbvias - acelerar a criação de protótipos de novos reatores e conceitos, garantir o funcionamento de reatores em assentamentos remotos e futuras colônias na Lua e Marte, sem a necessidade de contar com uma cadeia de suprimentos complexa. Em última análise, não é a questão do custo - a produção de um reator por esse método deve ser muito mais barata e, possivelmente, permitirá a produção e montagem de reatores no local.



Tudo isso, obviamente, não é muito interessante para pessoas que não têm acesso a impressoras SLM - mas, quem sabe, daqui a dez anos estaremos todos imprimindo nossos próprios motores de foguete e componentes de reatores de fusão em casa.