Práce, kterou provádí firma Westinghouse, možná povede k inovativnímu designu a akceptaci aditivní výroby, která by mohla být prospěšná pro jaderný průmysl. Od Williama Clearyho and Zesese Karoutase.
Komplexní geometrie, malé tolerance a další výzvy ohledně výroby jaderného paliva jsou už dlouho charakteristickými znaky, jež odrážejí jak atraktivitu designu jaderného paliva, tak i střetnutí návrhářů s fyzikálními a technickými omezeními. Ale co kdyby se tyto výzvy mohly zmírnit? Co kdyby se návrháři jaderného paliva mohli zabývat pouze zlepšením výkonu paliva, místo aby řešili omezení tradičních výrobních metod, a co jimi lze dosáhnout?
Firma Westinghouse se zbavuje těchto konstrukčních omezení pomocí aditivní výroby. Již v roce 2018 umožní toto úsilí firmě, aby se stala první, kdo umístí palivovou komponentu vyrobenou aditivní metodou do komerčního reaktoru.
S cílem dosažení vysoké bezpečnosti, kvality, výrobní inovativnosti a preciznosti promítá společnost Westinghouse benefity aditivní výroby do chování jaderného paliva nové generace. Novou metodu se navíc firma snaží zavádět s redukovaným dodavatelským řetězcem a kratší časovou periodou mezi koncepcí a výsledným produktem. Potenciální výhody aditivně vyráběných paliv a komponentů do aktivní zóny zahrnují:
- Snížení tlaku palivové soustavy;
- Lepší míchání průtoku, větší schopnost přenosu tepla a lepší seismická odolnost;
- Menší potenciál úniku paliva;
- Větší tepelná tolerance;
- Lepší marže paliva;
- Rozšířené palivové cykly;
- Přizpůsobitelné palivové soubory;
- Menší závislost na dodavatelském řetězci;
- Menší počet dodavatelů;
- Zkrácení doby od koncepce návrhu až po konečný komerčně dostupný produkt
Když se firma Westinghouse pustila do této mise, jaderný průmysl neměl žádnou přímou radiační zkušenost s aditivně vyrobenými materiály. K vyřešení tohoto problému s cílem podniknout první kroky směrem k uvedení první aditivně vyrobené komponenty do komerčního jaderného reaktoru, firma Westinghouse použila pro testování zkušebně vyrobené miniaturní vzorky z korozivzdorné ocelové slitiny Stainless Steel Alloy 316L a niklové slitiny Inconel Alloy A718. Vzorky byly vytištěny pomocí systému laserového práškového 3D tisku, který vytváří tenké vrstvy práškového kovu a spojuje je dohromady. Firma Westinghouse tyto slitiny vybrala, protože jsou nejslibnějšími komerčně dostupnými slitinami pro přechod na jaderné aplikace.
Ve spolupráci s institutem Massachusetts Institute of Technology (MIT) byly vzorky umístění v testovacím reaktoru tohoto institutu v říjnu 2014 a vyjmuty byly v květnu roku 2015. Firma Westinghouse vyhodnotila vzorky ve svém americkém zařízení Materials Center of Excellence Hot Cell Facility v oblasti Churchill v Pensylvánii a zjistila, že výsledky jsou velmi slibné. Mechanické vlastnosti, jako je mez kluzu a mez pevnosti, byly podobné jako u jejich konvenčně vykovaných a litých protějšků. Korozní potenciály byly vyhodnoceny v podmínkách tlakovodního reaktoru a bylo zjištěno, že jsou rovněž podobné.
S těmito výsledky vybrala firma Westinghouse korozivzdornou ocelovou slitinu Stainless Steel Alloy 316L, aby byla ozařována v komerčním reaktoru. Společnost se rozhodla aditivně vyrábět tyče pro zařízení TPD (Thimble Plugging Device), které kombinuje tradičně odlité kusy – v tomto případě čelní desku – s aditivně vyráběnými tyčemi. Společnost zvolila zařízení TPD jako první aditivně vyrobenou palivovou komponentu pro testování v komerčním reaktoru, protože důsledky horšího než očekávaného chování by byly minimální, díky čemuž testy představují velmi malé riziko. Kromě toho toto zařízení poskytlo příležitost zlepšit pochopení a zdokonalení procesu návrhu a sestavení kombinace odlitků a aditivně vyrobených komponent.
Zařízení TPD má poměrně složitý design kvůli své velikosti a malým tolerancím pro průměr, rozteč a vyrovnání tyčí. Firma Westinghouse spolupracuje se společností Moog, která vlastní systém laserového práškového 3D tisku, u nějž bylo prokázáno, že zvyšuje kvalitu složitých součástí. Po úspěšné demonstraci prototypů dokázaly inženýrské týmy společností Westinghouse a Moog vyrobit zařízení TPD, aby využily jedinečných možností systému laserového práškového 3D tisku. Díky tomu firma Westinghouse snížila celkový počet dílů této komponenty z třiceti kusů na tři a odstranila šroubové spoje a nesčetné procesní kroky nutné pro výrobu konečného výrobku. Čelní deska zařízení byla umístěna do práškového lůžka, což umožnilo tisknout tyče vrstvením přímo na desce, čímž odpadla potřeba přesného vrtání a obrábění 24 otvorů do této čelní desky, stejně jako nutnost připevnění každé z 24 tyčí na čelní desku pomocí šroubů.
Aditivně vyrobené zařízení TPD bude umístěno v oblasti reaktoru se srovnatelným neutronovým tokem k tomu, co se vyskytuje v oblasti dna palivové sestavy uvnitř aktivní zóny. Zařízení bude následně vyjmuto během běžných odstávek na doplňování paliva (po 18, 36 a 54 měsících), kdy bude vizuálně zkontrolováno, aby byla potvrzena jeho reakce na drsné prostředí v aktivní zóně reaktoru.
Firma Westinghouse také navrhla a aditivně vyrobila další palivové komponenty, jako je spodní tryska a pokročilý trubkový rošt. Návrhy plně využívají výhody aditivní výroby, ve které jsou komponenty vyrobeny ve vrstvách jemným trojrozměrným tiskem oproti tradiční subtraktivní výrobě za využití klasických obráběcích metod. Možnosti aditivní výroby komponent dávají zároveň větší svobodu konstruktérům a umožňují jím přemýšlet nad výrobou jiným způsobem. Tato nová příležitost ve výrobě jim umožnila lépe reagovat na tok, tlak a další výzvy – co se týká chování paliva – s vylepšeným designem, čemuž tradiční způsoby výroby nemohly vyhovět.
Kromě toho mohou být nové prototypy postaveny a testovány velmi rychle, protože aditivní výroba je řízena přímo konstrukčními daty, což umožňuje přímou výrobu trojrozměrných modelů. Tato rychlost – na rozdíl od časově náročných kroků při odlévání forem, výrobě nástrojů a provádění koání a obrábění – snižuje celkový nutný čas z několika měsíců na pouhé dny.
V případě nových návrhů může firma Westinghouse rychle vyrábět jedinečné plastové prototypy pomocí aditivní výroby. Každý prototyp lze otestovat v hydraulické zkušební smyčce firmy, která má stejnou průtokovou rychlost jako aktivní zóna reaktoru. Celkový proces umožňuje stanovit hydraulické chování a další charakteristiky nových prototypů, což optimalizuje návrh pro lepší vlastnosti za nižší cenu a kratší dobu, což dříve nebylo možné.
Firma Westinghouse nedávno využila rychlejší vývojový životní cyklus dosažený aditivní výrobou, aby rychle zobrazila zdokonalené pokročilé návrhy prototypů trubkového roštu. Cílem firmy s tímto projektem je vyvinout pokročilý trubkový rošt – aby byl silnější a dosáhl lepšího průtoku, směšování a seismické odolnosti než současné konstrukce. Úsilí kolem vývoje také poskytlo příležitost k pokroku v oblasti trojrozměrného výpočtu dynamiky tekutin, počítačového inženýrství a modelování analýz konečných prvků. Zlepšení těchto modelovacích technik umožní zdokonalit prototypy komponent před provedením drahých zkušebních procesů, které jsou nutné k tomu, aby nové komponenty byly připraveny k výrobě a komerčnímu nasazení v provozu. Firma Westinghouse také zkoumá účinky neutronového záření na aditivně vyrobené slitiny zirkonia pro lehkovodní reaktory. V roce 2017 tento projekt obdržel od amerického ministerstva energetiky finanční prostředky ve výši 830 000 dolarů. Firma Westinghouse pokračuje ve spolupráci s institutem MIT, kde v letošním roce testovací reaktor institutu ozařoval tři sady aditivně vyrobených vzorků zirkonia. Dvě sady byly během letošního léta vráceny k vystavení vyšším hladinám záření, zatímco první sada byla analyzována pro počáteční výsledky.
Vzorky jsou vyrobeny z prášku na bázi zirkonia, který projektový společník firmy Westinghouse – podnik ATI Specialty Alloys & Components – vyvinul pro použití na aditivní výrobu. Proces vývoje ukázal, že aditivní výroba může být použita pro výrobu komponent ze slitin zirkonia. Po ozáření bude firma Westinghouse testovat aditivně vyrobené vzorky zirkonia ve svém zařízení Hot Cell Test Facility, aby zjistila vliv záření na jejich mechanické a mikrostrukturální vlastnosti. Pomocí statistického porovnání výsledků výzkumníci určí, zda změny v aditivně vyrobených vzorcích zirkonia se liší od změn v odlitých nebo tvářených zirkoniových materiálech při vystavení stejným úrovním záření. Výsledky mohou pomoci dalšímu porozumění a přijatelnosti využívání aditivní výroby k podukci komponentů jaderného paliva na bázi zirkonia.
Budoucí plány firmy Westinghouse na vývoj aditivní výroby zahrnují diskuse týkající se pokroku a testování s americkou komisí Nuclear Regulatory Commission.
Zdroj: Nuclear Engineering International
