Když Kurt Terrani, šéf programu Transformational Challenge Reactor z laboratoří Oak Ridge National Lab v Tennessee se svými kolegy navrhl a vyrobil nové komponenty pro jaderný reaktor, tak šlo o jaderný reaktor chlazený plynem. To je klasický typ, který je skoro tak starý, jako jaderná energie sama. Přesto se Terraniho tým snaží posunout vývoj jaderné energetiky směrem vpřed. Jde o to, že až tento nový štěpný reaktor v ORNL spustí, což by mělo být v roce 2023, tak by to měl být první jaderný reaktor na světě se 3D tištěnou aktivní zónou.
Cílem úsilí Terraniho týmu je zrychlit výrobu jaderných systémů, které zároveň budou mít excelentní výkon. Podle nich by to mohlo jadernou energetiku podstatně proměnit. Je to zvláštní, ale jak uvádí Terrani, jaderný průmysl měl po velice dlouhou dobu pověst velmi konzervativního odvětví, které je vysoce odolné vůči změnám. Americké reaktory stále jedou na technologii, která měla svou hvězdnou chvíli asi tak před půlstoletím. Jde o to, že vzhledem k nemalým rizikům v jaderné energetice působí efekt staré dobré spolehlivé technologie. Terrani se ale obává, že když se jaderný průmysl v USA nepohne vpřed, tak by se záhy mohl ocitnout na vrakovišti.
Jaderní inženýři si nemohli nevšimnout, jak úspěšně se dnes prosazuje 3D tisk. Platí to i v odvětvích, kde by to jen před pár lety čekal málokdo. Na 3D tiskárnách se tisknout raketové motory i celé nosné rakety, komponenty leteckých motorů a řada dalších výrobků, které čelí dost extrémním podmínkám. 3D tisk umožňuje používat tvary a materiály, které dříve prakticky nebyly možné. A rozhodující výhoda 3D tisku spočívá v tom, že je podstatně rychlejší a levnější.
Teď by se 3D tisk mohl stát klíčovou technologií pro konstrukci budoucích jaderných reaktorů. Terraniho tým nedávno vyvinul design pro 3D tištěnou část reaktoru, která se stane klíčovou částí připravovaného reaktoru Transformational Challenge Reactor (TCR). Jde o pokročilý plynem chlazený minireaktor, který bude ke chlazení využívat helium. Část reaktoru bude vyrobena z klasických komponent, ale celé jádro reaktoru bude 3D tištěné z karbidu křemíku. To je extrémně odolný materiál, který prakticky není možné roztavit.
Právě v této tištěné části reaktoru se odehrává to zásadní v jaderné energetice. Štěpí se tam uranové palivo, a také tam jsou komponenty, které extrémní štěpnou reakci regulují. 3D tištěná část reaktoru TCR měří sotva půl metru. Celý nový reaktor nebude moc větší nežli pivní sud. Za to ale bude mít výkon 3 MW, což by stačilo tak pro 1000 amerických domácností.
Video: Oak Ridge National Laboratory 3D Printed Nuclear Reactor Technology
Literatura
Experiment KRUSTY: NASA úspěšně otestovala kapesní štěpný reaktor Kilopower
Autor: Stanislav Mihulka (03.05.2018)
Jádro vrací úder: Startup NuScale vyvíjí převratný malý reaktor
Autor: Stanislav Mihulka (16.12.2019)
Autonomní mikroreaktor Aurora utáhne tisíc domácností po dobu 20 let
Autor: Stanislav Mihulka (02.03.2020)
Diskuze:
3D tisk
Milan Vnouček,2020-05-18 12:15:21
Karbid křemíku nebo karbid wolframu jde tisknout právě spékáním prášku za pomoci laseru (jde jen o to vychytat ty správné podmínky což zase taková sranda nebude), ale pokud se to podaří je pak možno tisknout i komponenty ze změnou materiálu a vlastností což by byla nesporná výhoda. Např celý vnitřní koš aktivní zóny s tím, že uvnitř bude SiC a vně WC jako neutonový odražeč mi jako hloupost nepřijde. Ovšem vše závisízda se jim podaří vychytat podmínky toho tisku... Vnitřní pnutí v materiálu už nejeden takovýto "vlhký sen" konstruktéra roztrhalo na několik kusů :-)
Problémový 3D tisk karbidu křemíku.
Radim Polášek,2020-05-18 07:38:00
Mně se zdá nejasný ten 3D tisk karbidu křemíku.
Sám autor v článku píše, že karbid křemíku není prakticky možné roztavit. Přitom převedení materiálu do nějakého tekutého stavu je základní podmínka, aby vůbec byl 3D tisk s tímto materiálem možný.
Je možné karbid křemíku rozmělnit na velmi malé částky a ty propojit nějakým pojivem, aby výsledný mix byl jakž takž tekutý a tím tisknout. Ale už samotné rozmělnění karbidu křemíku na drobné částky je problém, protože to je jeden z nejtvrdších materiálů, jaký existuje. U běžného mlýnku z běžného i tvrdého materiálu by ve výsledné jemnozrnné směsi bylo mnohem víc materiálu toho mlýnku než karbidu křemíku. Namletá směs by se musela hodně třídit a plavit. Nebo, aby se mohlo karbidem křemíku takhle 3D tisknout, musel by se vyvinout mlýnek na karbid křemíku s vlastním mlecím ústrojím zase z karbidu křemíku.
Ovšem výsledný 3D vytištěný výrobek bude mít z podstatné části vlastnosti toho pojiva. Tady 3D tisk výrazně pokulhává proti klasické technologii lisováním, zvláště nějakým lisováním za velmi vysokých tlaků. Při vysokotlakém lisování totiž stačí pro pevné spojení materiálu doslova jen stopové množství pojiva, v některých případech dokonce stačí jen materiál ovlhčit vodou či jinou těkavou kapalinou a částečky vysokým tlakem do sebe zapadnou a výsledný výrobek je mechanicky stabilní. Zatímco 3D tisk potřebuje v tištěné hmotě běžně až desítky procent objemu pojiva. Lisované díly tak mohou mít vlastnosti téměř stoprocentně shodné s plnivem, u dílů tištěných výše popsaným 3D tiskem budou vlastnosti výsledného dílu určovat z podstatné části vlastnosti toho pojiva.
Ovšem je potom tady druhá možnost 3D tisknout ty díly ne přímo z karbidu křemíku, ale z jeho chemických prekurzorů. Tím je oxid křemíku SiO2 a uhlík. Dostatečně tekutý materiál vhodný pro 3D tisk lze z nich vyrobit poměrně snadno, jen s minimálním technologickými příměsemi, obojí se dá velmi jemně namlít a oxid křemíku se dá získat i v koloidní formě, takže výsledný materiál může mít obsah účinných složek blízko ke 100 %, zbytek je nějaké rozpouštědlo a přitom být tekutý.
Hotové vytištěné 3D díly se ale potom musí podrobit procesu, při kterém z těch prekurzorů karbid křemíku vznikne, to jest žíháním při velmi vysoké teplotě, odhadem nějak od 800 do 1500 st C, v ochranné nebo redukční atmosféře.
Někde, odhaduji při teplotách, při kterých se začne SiO2 tavit, bude docházet k těmto reakcím:
SiO2 + 2 C = SiC + CO2
Nebo
SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO
Problém je v tom, že při těchto reakcích dochází k dost velkému úbytku materiálu formou úniku plynného oxidu uhličitého nebo uhelnatého, při nižších teplotách tedy v dílci vznikají póry a praskliny a pevnost tištěného dílu se výrazně zmenšuje. Při vyšších teplotách, kdy se SiO2 částečně slinuje, se dílec při tom žíhání dost výrazně zmenšuje, je tedy nutné sériemi zkoušek nastavit takovou velikost vytištěného dílu, aby se po tomto procesu "trefilo" do požadovaných rozměrů. Předpokládám, že hotový dílec už z karbidu křemíku "doladit" na potřebnou velikost nějakým broušením buď nejde nebo je to velmi obtížné a snižuje to výslednou mechanickou odolnost takového dílu.
Reakční podmínky, průběh teploty v čase, složení a tlak atmosféry, stopové příměsi atd jsou velmi důležité, protože karbid křemíku je krystalický materiál. Ten je pevný buď tehdy, když jednotlivé krystaly materiálu v součástce jsou co nejjemnější a nejstejnoměrnější, ale vlivem vysoké teploty postupně dochází k rekrystalizaci a zvětšování krystalů, tím ke vzniku pnutí a výsledně prasklin. Nebo na druhé straně, když celý díle je tvořen jedním jediným krystalem, to je ale nejspíš nedosažitelné.
Takže kterým z těchto dvou způsobů mají být díly reaktoru 3D tištěny?
Jinak předpokládám, že karbid křemíku je použit proto, protože uhlík v tom křemíku funguje jako moderátor a tím významně zmenšuje minimální potřebnou velikost a hmotnost reaktoru k správnému chodu. Jinak přirozeně proto, že karbid křemíku je teplotně velmi odolný materiál a současně uhlík a křemík ozařovány vnitřní radioaktivitou reaktoru nevytvářejí příliš moc škodlivých umělých radioizotopů, které by dělaly problém jednak při nuceném rychlém odstavení reaktoru a potom při likvidaci tohoto reaktoru.
Re: Problémový 3D tisk karbidu křemíku.
Ludvík Urban,2020-05-18 10:39:57
Technologie 3d tisku Sic jde snadno naklikat. Namatkou:
One of the first companies to explore silicon carbide 3D printing was HRL Laboratories. Through its CAM (Center for Additive Materials) facility, HRL developed preceramic resin systems that can be cured with ultraviolet light in commercially available stereolithography 3D printers or through a patterned mask. Polymer structures with complex shape can be formed and then pyrolyzed to a ceramic with uniform shrinkage and virtually no porosity. HRL used silicon oxycarbide to fabricate structures that exhibit high strength and withstand temperatures up to 1700C.
+
Jan Adamek,2020-05-18 06:02:18
Mne sa zdá "3D tištěné komponenty reaktoru TCR." celkom zrozumiteľné.
Správná terminologie
Libor Urbancik,2020-05-17 23:17:09
Pane Mihulko, z Vašeho příspěvku je vidět, že nejste odborník na jadernou energetiku. Anglické slovo "core" je v případě jaderného reaktoru česky "aktivní zóna". O žádné "levné 3D tištěné jádro z karbidu křemíku" zde opravdu nejde. Jde o aktivní zónu reaktoru, která v anglosaské terminologii má jméno core. Stejně tak "pressurizer" není "tlakovač" ale "kompenzátor objemu". A tak dále a tak podobně.
Re: Správná terminologie
Jan Novák9,2020-05-18 06:19:10
Jádro reaktoru je aktivní zóna, co se vám na tom nezdá? Slyšel jste někdy o slově synonymum? Navíc z obrázku je to jasné.
Re: Re: Správná terminologie
Libor Urbancik,2020-06-17 13:08:40
Vážený pane Nováku9, dlouho jsem váhal, zdali Vám mám odpovědět. Nakonec jsem si řekl, že nezodpovězené problémy se mají řešit. Proto Vám sděluji, že synonyma se užívají v beletrii, prostě v krásné literatuře, nikoliv v odborném nebo populárně odborném textu. Když píše zde na Oslu pan Socha o dinosaurech nebo pan Wagner o jaderné technice, nevylepšují si krásu textu synonymy, nýbrž nazývají věci odborně přesnými ustálenými pojmy. Když si přečtete jakýkoliv odborný text, projektovou dokumentaci, provozní předpisy a zákon č. 263/2016 Sb., atomový zákon, a prováděcí právní předpisy k atomovému zákonu, zjistíte, že veškeré technické objekty, činnosti a organizační vztahy jsou přesně nadefinovány a stále stejně v rámci definice používány. Synonyma se nepřipouštějí. Píšete, že z obrázku je to jasné. Buďte rád, že Vám je to jasné, nemusí to však být jasné jinému čtenáři. Směšné bylo, když novináři psali o nehodě ve Fukušimě, "jádro se ještě neprotavilo", "jádro se protavilo" a podobně. Česká legislativa zná pojem "jádro" ve smyslu atomové jádro, potom jsou jaderné reakce probíhající v jádrech atomů nuklidů jaderného paliva, které je umístěno v aktivní zóně. Pokud bych použil synonymicky jádro = aktivní zóna, pak by věta zněla: "jaderné reakce probíhají v jádrech atomů nuklidů jaderného paliva, které je umístěno v jádře". To asi je matoucí, ne? Doufám, že si nyní již rozumíme. Bližší vysvětlení najdete na stránce https://www.osel.cz/11209-vyznamne-uspechy-ceske-republiky-v-oblasti-bezpecnosti-jadernych-elektraren.html
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
