Als bemerkenswerten Meilenstein für die additive Fertigung von Nuklearkomponenten wurden vier 3D-gedruckte Befestigungselemente für Brennelementkanäle installiert und sind jetzt in Betrieb Browns Ferry Nuclear Plant Unit 2 der Tennessee Valley Authority (TVA) in Athen, Alabama.
Kanalbefestigungselemente sind eine Art Halterung, die an der Oberseite des Kernbrennstoffbündels befestigt wird, um den Kanal zu halten, der sich um den Aufbau wickelt und den Kühlmittelfluss nach oben durch das Bündel leitet. Sie sichern im Wesentlichen den Brennstoffkanal am Siedewasserreaktor (SWR)-Brennelement des Reaktors. Die Sicherheitskomponenten werden herkömmlich aus teuren Gussteilen hergestellt und erfordern typischerweise eine Präzisionsbearbeitung.
ORNL verwendete neuartige additive Fertigungstechniken, um Kanalbefestigungen für den Siedewasserreaktor von Framatome in 3D zu drucken. Vier Komponenten, wie die hier gezeigte, wurden im April in der Browns Ferry Unit 2 der Tennessee Valley Authority installiert. Bildnachweis: Framatome
Die vier Edelstahl-Kanalbefestigungen wurden letztes Jahr 3D-gedruckt am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) im Rahmen des vom Department of Energy finanzierten Ttransformatives Challenge Reactor (TCR)-Programm und installiert auf ATRIUM 10XM-Brennelemente in der Kernbrennstoff-Fertigungsanlage von Framatome in Richland, Washington. Sie wurden bei Browns Ferry 2 während des geplanten Frühjahrsausfalls installiert, der am 22. April endete. Die Halterungen werden nun sechs Jahre im Reaktor verbleiben, “mit regelmäßigen Inspektionen während dieses Zeitraums”, sagte ORNL.
Die Komponenten von Browns Ferry verwenden direktes Metall-Lasersintern (DMLS) mit einem Pulverbettschmelzverfahren, ein additive Fertigungstechnik bei dem ein Laser verwendet wird, um das Materialpulver zu schmelzen und zu verschmelzen. (Weitere Techniken, die für die Herstellung von Nuklearkomponenten untersucht werden, finden Sie weiter unten.)
„Der Einsatz von 3D-gedruckten Komponenten in einer Reaktoranwendung ist ein großartiger Meilenstein“, sagte Ben Betzler, TCR-Programmdirektor vom ORNL, am 9. August. „Es zeigt, dass es möglich ist, qualifizierte Komponenten in einem stark regulierten Umfeld zu liefern.“
Herstellung raffinierter Nuklearkomponenten
Das Projekt ist ein weiterer wichtiger Erfolg für die TCR-Programm, ein Vorzeigeprojekt der Bundesregierung für Forschung und Entwicklung (F&E), um Technologien für fortgeschrittene Kernreaktoren durch additive Fertigung und künstliche Intelligenz zu ermöglichen. Zu den Zielen des Programms gehören die Senkung der Kosten, die Beschleunigung der Bereitstellung und die Modernisierung der Fertigungs-, Material- und Computerwissenschaften für die Kernenergie.
Im Rahmen eines weiteren viel beachteten Forschungsprojekts geht die Arbeit weiter bis 2024 einen TCR-Mikroreaktor zu demonstrieren das einen 3D-gedruckten Kern, fortschrittliche Materialien und integrierte Sensoren und Kontrollen verwendet.
Während die additiv gefertigten Befestigungselemente für Brennelementkanäle die ersten ihrer Art sind, die in einem laufenden Reaktor installiert werden, sind sie auch die ersten physischen Teile mit „digitalen Zwillingen“ oder exakten virtuellen Modellen, die mit der fortschrittlichen Überwachung und künstlichen Intelligenz von TCR erstellt wurden Techniken während der Herstellung, nach ORNL.
ORNL hat erklärt, dass es sich entschieden hat, den 3D-Druck von Kanalbefestigungen zum Teil zuerst zu demonstrieren, weil sie „eine einfache, wenn auch nicht symmetrische Geometrie haben und ein relativ einfaches Teil sind – ideal für eine einzigartige Demonstration der additiven Fertigung. bei dem das Material nach einem am Computer entworfenen Modell schichtweise aufgetragen wird, um präzise Formen zu formen, ohne dass später geschnitzt oder bearbeitet werden muss.“
Letztes Jahr stellte das Labor auch fest, dass sich die additive Fertigung zwar als kostengünstigere Methode zur Herstellung des Teils – das normalerweise gegossen und bearbeitet wird – herausstellt, das Projekt jedoch entscheidend als „Testfall“ für die digitale Plattform von TCR dienen wird. Eine Schlüsselpriorität bei TCR besteht darin, eine Methode zur schnellen Zertifizierung der Qualität von Komponenten zu entwickeln, die in Kernreaktoren eingesetzt werden, sagte Ryan Dehoff von ORNL, Sektionsleiter für sicheres und digitales Marketing.
‘Die Grundlage für die Entwicklung und Herstellung einer Vielzahl von 3D-gedruckten Teilen’
Der Nuklearkomponenten- und Brennstoffhersteller Framatome begrüßte am Montag den Meilenstein als neue Grenze für die Nukleartechnologie. „Dieses Projekt bietet die Grundlage für die Entwicklung und Herstellung einer Vielzahl von 3D-gedruckten Teilen, die zur Schaffung einer sauberen Energiezukunft beitragen werden“, sagte John Strumpell, Manager für North America Fuel R&D bei Framatome.
Framatome, das seit 2015 an der Einführung der additiven Fertigung für Kernbrennstoffe arbeitet, hat angegeben, dass sich seine Bemühungen auf Brennelementkomponenten aus Edelstahl und Nickellegierungen konzentrieren. Während eines Workshops im Dezember 2020 Das französische Technologieunternehmen, das von der Nuclear Regulatory Commission (NRC) veranstaltet wurde, stellte fest, dass es während des Projekts zur Implementierung der Brennelementkomponenten Erfahrung gesammelt, Kompetenz demonstriert und den gesamten Umfang der grundlegenden Produktentwicklung abgeschlossen hat.
Der Umfang umfasste Konstruktionsänderungen und -kontrolle für die fortschrittliche DMLS-Fertigungstechnik der Pulverbettfusion – einschließlich Produkt- und Materialspezifikationen sowie Inspektionsanforderungen. Im Rahmen des Projekts wurden auch Qualifikations- und Qualitätskontrollkriterien festgelegt. Noch wichtiger ist vielleicht, dass es den Weg für die Zulassung und den kommerziellen Betrieb einer sicherheitsrelevanten Brennelementkomponente in einem Reaktor ebnete.
Mit Blick auf die Zukunft arbeitet Framatome daran, andere Brennelementkomponenten unter Verwendung additiver Fertigungstechnologien und -materialien einzuführen, darunter untere Schmutzfilter und obere Gitter und Filter.
Für TVA, das riesige bundeseigene Unternehmen, das Atomenergie angezeigt hat wird eine immer wichtigere Rolle spielen beim Ausstieg aus der Kohleerzeugung bis 2035, dem „innovativen Fertigungsansatz“ könnte den Weg für den Einsatz in der bestehenden Nuklearflotte und auch in modernen Reaktoren und kleinen modularen Reaktoren ebnen“, sagte Dan Stout, TVA-Direktor für Nukleartechnologie-Innovation. „TVA engagiert sich aktiv für die Entwicklung neuer Nukleartechnologie für morgen“, stellte er am Montag fest.
Das Versprechen fortschrittlicher Fertigung
Während des zweitägigen NRC-Workshops, der sich mit fortschrittliche Fertigungstechnologien für Nuklearanwendungen, stellten mehrere Teilnehmer fest, dass das Interesse an fortschrittlicher Fertigung in letzter Zeit aufgrund technischer Sprünge zugenommen hat, die eine Modernisierung der Herstellung von Ersatzkomponenten in bestehenden Reaktoren oder eine rationalisierte Konstruktion kleiner modularer und fortschrittlicher Reaktoren versprechen.
Aber teilweise weil die Nuklearindustrie so stark reguliert ist, war sie langsamer als andere Energieuntersektoren, um Fertigungsfortschritte anzunehmen, die die Technologieeffizienz und -fähigkeiten verbessert haben, wie z Gasturbinen und Windkraftanlagen.
Die Nuklearindustrie ist sich jedoch der potenziellen Vorteile bewusst. Betreiber von Kernkraftwerken weisen hauptsächlich auf potenzielle Kosteneinsparungen in der Lieferkette hin. Advanced Manufacturing beispielsweise könnte eine lang gesuchte Lösung für die Beschaffung von Teilen sein, deren Lieferanten nicht mehr im Geschäft sind, zu lange liefern oder deren Qualität fraglich ist. Eine fortschrittliche Fertigung könnte auch dazu beitragen, Probleme im Zusammenhang mit dem bestehenden Komponentendesign zu beheben – beispielsweise Materialfehler – oder die nicht den gesetzlichen Vorschriften entsprechen.
Auf dem Workshop hob das NRC insbesondere fünf „primäre“ Technologien hervor, die es unter Beteiligung der Öffentlichkeit aktiv erforscht. Dazu gehören Laser-Pulverbett-Fusion; direkte Energiedeposition; Elektronenstrahlschweißen; Pulvermetallurgie (Schwerpunkt heißisostatisches Pressen); und Kaltspritztechniken.
Laser-Pulverbett-Fusion. Die Laser-Pulverbett-Fusion, wie sie zur Herstellung der Browns Ferry-Komponenten verwendet wurde, verwendet einen Laser, um Pulverpartikel in einem Pulverbett miteinander zu schmelzen oder zu verschmelzen. Laut NRC ist es im Allgemeinen „am vorteilhaftesten für komplexere Geometrien“ und seine Anwendungen umfassen möglicherweise kleinere Komponenten, Kraftstoffhardware und kleine Einbauten.
Direkte Energiedeposition (DED). DED beinhaltet a Düse montiert auf einem mehrachsigen Arm, der Ablagerungen geschmolzenes Material auf einer Oberfläche. Es könnte aufgrund seiner schnelleren Produktion und größeren Baukammervolumen für größere Komponenten geeignet sein, sagte das NRC.
Elektronenstrahlschweißen. Beim Elektronenstrahlschweißen handelt es sich um einen Schmelzschweißprozess, bei dem ein Hochgeschwindigkeitselektronenstrahl zum Verbinden von Materialien verwendet wird. Es kann einlagiges Schweißen ohne Zusatzwerkstoff herstellen und könnte zum Schweißen von mittleren und großen Bauteilen geeignet sein.
Pulvermetallurgie/heißisostatisches Pressen. PM/HIP beinhaltet die Verdichtung eines Metallpulvers in einer Form unter Verwendung hoher Temperaturen und Druck. Das Electric Power Research Institute (EPRI) und das DOE untersuchen diese Technik, indem sie Elektronenstrahlschweißen verwenden, um einen NuScale-Reaktorbehälter herzustellen.
Kaltes Spray. Beim Kaltspritzen schließlich wird Pulver mit Überschallgeschwindigkeit auf eine Metalloberfläche gesprüht, um eine Verbindung mit dem Teil herzustellen. Zu seinen potenziellen nuklearen Anwendungen gehören midierung oder Reparatur von Spannungsrisskorrosion in Reaktoranwendungen oder potenzieller chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion in abgebrannten Brennstoffkanistern, sagte das NRC.
Die riesige Landschaft der nuklearen fortschrittlichen Fertigung
Obwohl der Meilenstein von Browns Ferry für die Lieferung einer 3D-gedruckten Sicherheitskomponente in einem kommerziellen Reaktor von Bedeutung ist, verdeutlichen die jüngsten Errungenschaften der Nuklearindustrie weltweit den großen Spielraum für fortschrittliche Fertigungsanwendungen im Nuklearsektor.
Wie Framatome hat das Kernbrennstofftechnologieunternehmen Westinghouse die Herstellung von Komponenten mit Pulverbettschmelzen, Binder Jetting und DED. Letztes Jahr markierte Westinghouse eine weitere bemerkenswerte „Erste“, als Exelon installierte im Frühjahr 2020 bei Byron 1 eine Westinghouse Fingerhut-Stopfvorrichtung. Die Vorrichtung, die typischerweise verwendet wird, um Kernbrennstoff beim Absenken in den Reaktorkern zu halten, wird mit Laser-Pulverbett-Fusion hergestellt. Neben der Entwicklung von „multiple Complex Designs“ für die Filterung von Brennstofftrümmern ist Westinghouse an einem dreijährigen DOE-finanzierten Projekt zur additiven Herstellung von Abstandsgittern für Kernreaktoren beteiligt.
Westinghouse Electric Co. gab im Mai 2020 bekannt, dass ein 3D-gedrucktes Fingerhut-Stopfgerät während seines Betankungsausfalls im Frühjahr erfolgreich im Kernkraftwerk Byron Block 1 von Exelon installiert wurde. Es war eine einzigartige Anlage für die Nuklearindustrie. Höflichkeit: Westinghouse
Exelon sagt insbesondere auch, dass es Kaltspray auf primären Feuchtigkeitsabscheidern verwendet hat, um die strömungsbeschleunigte Korrosion in einer Dampftrommel eines Druckwasserreaktors zu mildern. Es stellt fest, dass Kaltspray „vielversprechend für Reparaturanwendungen im Werk ist“.
Kaltspritzanwendungen wurden mittlerweile in eine Vielzahl unfalltoleranter Kraftstoffe Technologien, die derzeit in verschiedenen Kernreaktoren im ganzen Land getestet werden.
EPRI, das drei fortschrittliche Fertigungs-Roadmaps abwägt (für Primärdruckgrenzkomponenten der Klasse 1, Reaktoreinbauten und andere Klassenkomponenten), sagt auch, dass für fortschrittliche Fertigungstechnologien bereits große Gewinne gezeigt wurden. Es schlägt vor, dass bereits Demonstrationsstücke von Leichtwasserreaktorkomponenten unter Verwendung von PM/HIP hergestellt wurden.
Außerhalb der USA installierte ENGIE 2019 seinen ersten additiv gefertigten Ventilkörper (ein nicht sicherheitsklassifiziertes Bauteil) in einem Kernkraftwerk. ENGIE arbeitet jetzt mit der Technologieplattform für nachhaltige Kernenergie der Europäischen Union zusammen – im Rahmen ihrer Nuklearkomponenten basierend auf dem Programm für additive Fertigung (NUCOBAM)—Einführung einer Qualifizierungsmethodik für additiv gefertigte Komponenten in einer Kernanlage. NUCOBAM erwartet, dass seine Bemühungen der Rentabilität der Nuklearindustrie zugute kommen und die Sicherheit durch optimiertes Komponentendesign verbessern werden.
In Großbritannien prüft Rolls Royce auch den Übergang zu einem additiven – statt einem subtraktiven – Prozess für die Herstellung von nuklearen Qualitätsbehältern. Das Unternehmen schlägt vor, dass seine Bemühungen die Herstellungskosten und die Vorlaufzeit von Schiffen reduzieren, eine alternative Lieferkette etablieren, die Materialqualität verbessern und die Inspektionen im Betrieb reduzieren könnten.
— Sonal Patel ist Senior Associate Editor bei POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).
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