Przez ostatnie 40 – 50 lat wysokorozwinięte gospodarki zachodnie nie rozwijały technologii wytwarzania bezemisyjnej energii w siłowniach atomowych. Jednak w ostatnich latach stale rosnące zapotrzebowanie na prąd w Wielkiej Brytanii, Chinach czy Polsce stało się impulsem do powrotu do atomu. Wówczas okazało się, że budowa i eksploatacja nowych jądrowych bloków energetycznych jest bardzo kosztowna. Obecnie szacuje się, że wydatki na jedyną budowaną obecnie w Europie siłownię, brytyjską Hinkley Point C, wyniosą aż 22 miliardy funtów. Tak wysokie koszty powstania obiektu przełożą się na wyższą cenę prądu jaką będą musieli zapłacić jego odbiorcy.

Dzięki nowym rozwiązaniom, nad którymi pracują obecnie naukowcy w wielu laboratoriach na świecie energetyka atomowa ma być konkurencyjna cenowo wobec rozwiązań oferowanych przez OZE (energia wiatrowa, fotowoltaika). A przy tym równie bezpieczna.

Stare pomysły w nowych interpretacjach

W takich sytuacjach coraz częściej inżynierowie stawiają na wynalezioną w latach 80-tych XX wieku technologię druku 3D znaną również jako technologia addytywna lub druk przestrzenny. Przez ostatnie 10 lat zrewolucjonizowała proces produkcji w niemal każdej dziedzinie przemysłu. Pierwotnie do druku używano odpowiedniego plastiku i gumy. Najnowsze drukarki wykorzystują metale i materiały kompozytowe. Służą do produkcji prototypów czy elementów o złożonych kształtach, ale również obniżają koszty krótkoseryjnej produkcji i testów.

W przemyśle jądrowym technologia addytywna może być wykorzystywana przede wszystkim do tworzenia prototypów mikroreaktorów, które już w niedalekiej przyszłości będą mogły zastąpić klasyczne siłownie atomowe. Ze względu na swoje nieduże rozmiary łatwo je będzie przewozić, a ich moc nie będzie przekraczała 10 MW. Oznacza to większą elastyczność w wykorzystaniu i niższe koszty.

Reklama

Zaawansowane prace nad zbudowaniem takiego reaktora prowadzi między innymi amerykański instytut Oak Ridge National Laboratory (ORNL). W ramach wspieranego finansowo przez Departamentem Energii USA programu Transformational Challenge Reactor Demonstration naukowcy opracowują prototyp pierwszego rdzenia reaktora jądrowego wydrukowanego w technologii 3D. Materiałem, który wykorzystują do tego jest węglik krzemu – materiał o wysokiej odporności na temperaturę i promieniowanie. Instytut stara się przy tym przyspieszyć proces wytwarzania przyrostowego poszczególnych elementów reaktora. Opracowuje również metody pozwalające sprawdzić jakość oraz niezawodność tak stworzonych elementów.

„Dzięki drukowi 3D otrzymujemy obiekty, które powstają w oparciu o bardzo złożone projekty, np. kanałów chłodzących z materiałów o wysokich parametrach, co wcześniej nie było możliwe. Na przykład, używając materiał taki jak węglik krzemu, możemy znacznie zwiększyć wydajność i bezpieczeństwo naszego rdzenia, ”- wyjaśnia Kurt Terrani, dyrektor programu Transformational Challenge Reactor. Druk 3D znacznie ułatwia produkcję elementów o złożonych kształtach wewnętrznych, które wcześniej uzyskiwano poprzez łączenie kilku osobnych części, co odbijało się na wytrzymałości. Taki sam element wydrukowany przestrzennie jako monoblok ma znacznie lepsze parametry.

„Przemysł jądrowy wciąż ogranicza się do myślenia o tym, jak projektujemy, budujemy i wdrażamy technologię energii jądrowej,” - powiedział dyrektor ORNL Thomas Zacharia. Jego zdaniem technologia pozwalająca wydrukować szybko i tanio elementy takie jak rdzeń dla reaktora atomowego ponownie ustawiłaby amerykańską energetykę jądrową w roli światowego lidera rozwoju. Dlatego prowadzone są tego typu projekty. Jednak na razie technologia addytywna jest stosowana w ograniczonym zakresie. Drukowane są tylko niewielkie części do już istniejących elektrowni jądrowych, ale też kapsuły i inne elementy w zaawansowanych reaktorach testowych.

Mimo trudności jakie nastręcza pandemia COVID-19 ORNL planuje uruchomienie pierwszego reaktora wyprodukowanego w nowej technologii już w 2023 roku. Naukowcy zaangażowani w projekt zdalnie kontynuują swoje prace pomimo kryzysu i specjalnych procedur, czytamy na stronie ornl.gov.

Od czegoś trzeba zacząć

Ale druk 3D w energetyce jądrowej to nie tylko tworzenie prototypów i poszukiwanie nowych rozwiązań. W maju amerykański Westinghouse Electric Company poinformował, że sukcesem zakończyła się operacja umieszczenia paliwa jądrowego w rdzeniu reaktora za pomocą narzędzia zamykającego jego osłonę. Element ten został wydrukowany przez Westinghouse dla elektrowni jądrowej Exelon Byron Unit 1 w Illinois.

„Produkcja addytywna jest ekscytującym nowym rozwiązaniem dla przemysłu jądrowego. Takie uproszczone podejście pomaga zaspokoić zapotrzebowanie branży na szeroką gamę komponentów instalacji jądrowych o krytycznym znaczeniu, a które nie są powszechnie dostępne,” - powiedział Ken Petersen, wiceprezes ds. paliw jądrowych w Exelon Generation właściciela i operatora EJ Byron.

Na budowaniu drobnych, trudno dostępnych części zamiennych umożliwiających sprawne działanie działającym elektrowniom atomowym Westinghouse nie zamierza poprzestawać. Amerykański koncern chce jako pierwsza firma na świecie zainstalować wydrukowany w 3D element paliwowy w komercyjnym reaktorze jądrowym. Zastosowanie tej technologii pozwoli obniżyć cenę całej operacji.

Oczywiście komercyjna energetyka jądrowa to nie miejsce dla technologii nie sprawdzonych, ale druk 3D z pewnością do takich nie należy. Nim metoda addytywna trafiła do energetyki jądrowej pracował nad nią przemysł lotniczy. Wysokie wymagania dotyczące odporności na ogromne przeciążenia, wysokie temperatury i konieczność spełnienia bardzo wysokich wymagań co do wytrzymałości materiałów i bezpieczeństwo są ważnym elementem łączącym obie te branże. Wnętrze mikroreaktora jest przecież równie skomplikowane i obciążone jak wnętrze silnika odrzutowego. Dlatego wiele materiałów, czy metod pracy jakie obecnie stosuje się w energetyce jądrowej pierwotnie były opracowywane w firmach lotniczych i kosmicznych.

Nowe technologie, nowe możliwości

Potrzeba ograniczenia kosztów produkcji wymusza tworzenie i wykorzystywanie nowych technologii do budowy samolotów i helikopterów. Nowy rodzaj druku 3D, znany jako Multi-Material Additive Manufacturing (MM-AM), umożliwia opracowanie jednorodnych części zbudowanych z różnych metali nakładanych jedna warstwa na drugą zgodnie z przygotowanym wcześniej modelem komputerowym. Komponenty tworzone metodą przyrostową mają zupełnie inne właściwości fizyczne oraz mechaniczne i inaczej przenoszą ciepło niż te wytwarzane tradycyjnie, a to otwiera nowe możliwości. Powstały wówczas materiał, ze względu na różnice w strukturach wewnętrznych jakie uzyskuje się w trakcie wytwarzania, łączy w sobie cechy stopu różnych metali i kompozytu.

W tradycyjnym sposobie budowania silnika każdy jego element przed zainstalowaniem musiał być dopasowany do pozostałych część poprzez skrawanie, szlifowanie albo wiercenie. Prace te zawsze są obciążone błędem. Wykorzystywanie MM-AM i pokrewnych technik w produkcji znacząco ogranicza koszty, straty materiałowe i zwiększa elastyczność produkcji. Wykonanie przedmiotów o nawet najbardziej skomplikowanych kształtach nie nastręcza już problemów. Powstają kształty niemożliwe do uzyskania tradycyjnymi metodami.

Jest to niezwykle istotne na przykład przy produkcji części zamiennych, czy tworzeniu prototypów. Kiedyś ważną części kosztu produkcji było odpowiednie oprzyrządowanie, służące produkcji konkretnych elementów. Używając metod addytywnych wystarczy nanieść odpowiednie zmiany do oprogramowania a drukarka dowolnie zmieni kształt tych elementu. Bez potrzeby wprowadzania rewolucji w działających już liniach produkcyjnych i zwiększania kosztów.

Jedną z pierwszych firm, która wykorzystuje technologię addytywną do produkcji coraz większej liczby komponentów jest producent śmigłowców komercyjnych i wojskowych Bell, należący do koncernu Textron. We współpracy z Harvest Technologies, Bell metodą druku 3D produkuje między innimi elementy do systemu sterującego śmigłowców. Zatrudnieni przez obie firmy inżynierowie pracują nad kolejnymi elementami konstrukcyjnymi helikoptera, które będą mogły być wytworzone metodą przyrostową. „Teraz inżynierowie ECS, którzy zdobyli doświadczenie z materiałami i procesami, kontaktują się z grupami opracowującymi inne zadania i te zespoły zaczynają włączać do swoich podzespołów części wytwarzane metodą addytywną” - powiedział Elliott Schulte, inżynier zatrudniony w Bell Textron.

W niedawno otwartym Manufacturing Technology Center (MTC) w Fort Wirth w Teksasie jedną z podstawowych technologii używanych do przygotowania prototypów i tworzenia krótkich serii elementów konstrukcji lotniczych będzie właśnie druk 3D. Dzięki wykorzystaniu Internetu rzeczy i wielostopniowego systemu cyberzarządzania powstające w nim rozwiązania techniczne będą służyć szybkiemu wdrożeniu do produkcji maszyn Future Vertical Lift, czyli amerykańskich śmigłowców przyszłości.

Zdaniem specjalistów na chwilę obecną najlepsze parametry techniczne materiałów wykorzystywanych w lotnictwie można uzyskać dzięki drukowi 3D. Łącząc metodę przyrostową i tradycyjną z jednej strony można zmniejszyć ilości odpadów materiałowych, a z drugiej strony zyskać precyzję wytwarzania komponentów za pomocą szlifowania, wykrawania czy toczenia. Dzięki temu można nie tylko tworzyć nowe podzespoły, ale też rewitalizować częściowo zużyte i zaoszczędzić zarówno czas, jak i pieniądze.

Może to być szczególnie przydatne w eksploatacji reaktorów atomowych, samolotów czy helikopterów, których okres eksploatacji liczy się często w dekadach. Zdarza się, że w tym czasie przestają istnieć producenci niektórych elementów, co winduje ich ceny do absurdalnych wartości. W takiej sytuacji z pomocą przychodzi nie tylko druk 3D, ale również technologie przestrzennego skanowania. Wykorzystując przenośne urządzenie HandySCAN 3D firmy Ceraform inżynierowie Bella mogą zweryfikować jakość wykonania poszczególnych podzespołów. Albo stworzyć wirtualny obraz zużytej części i na tej podstawie zbudować nową, idealnie dopasowaną do korzystającej z niej maszyny.

Nie trzeba już będzie gromadzić zapasów części zamiennych, czy uniezależniać od opóźnień w dostawach elementów produkowanych na drugim końcu świata. Będzie można „zadrukować” ubytki i element wróci do eksploatacji w ciągu kilku godzin. W nadchodzącej przyszłości może się to stać jedną z najważniejszych przewag konkurencyjnych takich firm jak Bell, ale i dla producentów nowoczesnych minireaktorów atomowych.

Na pierwszy rzut oka energetyka jądrowa i lotnictwo to dwie zupełnie różne dziedziny nauki i przemysłu. Nic bardziej mylnego. Obie te branże korzystają z podobnych rozwiązań technicznych i technologicznych oraz materiałów. Podlegają tym samym prawom fizyki. Przemysł lotniczy i kosmiczny od lat rozwijał się, testował nowe rozwiązania. Energetyka jądrowa zatrzymała się 40 lat temu, a teraz korzystając z ich zdobyczy ma szansę dostarczyć światowej gospodarce rozwiązań, które pomogą ograniczyć emisję CO2 i skutki globalnego ocieplenia.

Być może dzisiejsze prototypy minireaktorów atomowych drukowanych metodą 3D w przyszłości będą napędzały bezemisyjne samoloty, albo pozwolą ludzkości podbić kosmos. Niestety dotychczasowe próby połączenia atomu i podniebnych lotów ze względów ekonomicznych oraz bezpieczeństwa okazały się niemożliwe. Technologia 3D może w przyszłości pozwolić pogodzić te dwa żywioły.