Le ceramiche stampate in 3D stanno aiutando i ricercatori europei a progettare un reattore nucleare innovativo. Con questo progetto dell’UE, i super meltdown dovrebbero essere impossibili, la radioattività dei rifiuti nucleari dovrebbe essere drasticamente ridotta e dovrebbero essere prodotti isotopi per la ricerca sul cancro.
MYRRHA è il nome di un progetto europeo innovativo e ambizioso per lo sviluppo della prossima generazione di centrali nucleari pulite e sicure. Con un budget di circa 1,6 miliardi di euro, verrà costruito un nuovo tipo di reattore nucleare a Mol, in Belgio, entro il 2036 , che presenterà tre miglioramenti essenziali rispetto alle centrali odierne:
La cosiddetta “trasmutazione” riduce drasticamente la radioattività delle scorie nucleari, che, secondo le stime, riduce lo stoccaggio finale di un fattore 1000 da circa 300.000 anni a soli 300 anni
Il nocciolo del reattore è progettato in modo tale da spegnersi immediatamente in caso di malfunzionamento , rendendo impossibile una super fusione
Oltre alla ricerca scientifica, nel reattore vengono prodotti anche radioisotopi vitali per la ricerca e la terapia del cancro
Nell’attuale fase di progettazione, l’Istituto per la tecnologia e la sicurezza dell’energia termica (ITES) presso l’ Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT) sta studiando l’affidabilità dei componenti termoidraulici del reattore di ricerca in Belgio. Un’attenzione particolare è rivolta alle prestazioni dei fasci di barre di combustibile esagonali in acciaio inossidabile nel nocciolo del reattore, attorno al quale scorre una miscela liquida di bismuto-piombo come refrigerante. La formazione di ossidi di piombo o depositi di altre sostanze estranee nel metallo fuso possono causare il cosiddetto “blocco”, che ha un effetto negativo sul raffreddamento del reattore.
In collaborazione con l’ITES è stato quindi sviluppato un “freno fluido” in ceramica, che ha lo scopo di riprodurre con precisione questo possibile blocco geometricamente. Ciò consente calcoli più precisi del comportamento del flusso e del raffreddamento utilizzando ” Computational Fluid Dynamics (CFD)”. Il blocco utilizzato deve affrontare sfide particolari per quanto riguarda l’intervallo di temperatura da 200°C a 450°C, la stabilità a velocità di flusso fino a 2 m/s nel metallo liquido e la geometria definita con precisione nell’intervallo millimetrico.
Replica 3D dell’ossido di metallo ceramico
In passato, è stata testata un’ampia varietà di strutture in rete metallica per rappresentare il blocco del flusso di refrigerante sopra menzionato. Tuttavia, queste serie di test sono state in grado di soddisfare le specifiche solo in misura limitata. Pertanto, è stata presa la decisione di utilizzare una ceramica stampata in 3D in ZrO 2 per poter utilizzare i seguenti vantaggi:
La ceramica offre la necessaria stabilità termica e chimica per l’ambiente aggressivo nel reattore di prova
ZrO 2 ha una bassa conducibilità termica (TCF) , che corrisponde il più possibile alla conducibilità dell’ossido metallico e quindi aumenta l’affidabilità della simulazione
Le strutture porose dell’ossido metallico possono essere riprodotte in dettaglio in stampa 3D (vedi rappresentazione schematica del componente) in modo da simulare idealmente la resistenza al flusso del blocco
La flessibilità della stampa 3D rende facile adattare la geometria. L’esecuzione di diverse iterazioni consente di trovare la giusta geometria per prestazioni ottimali del componente nella simulazione
La simulazione dettagliata ha lo scopo di prevedere con precisione il comportamento del flusso del liquido di raffreddamento utilizzato e il carico termico sulle barre riscaldanti nel reattore vero e proprio. Le prove preliminari vengono eseguite presso l’Istituto di Karlsruhe utilizzando un sistema di circuiti “THEADES” per il piombo-bismuto appositamente costruito per questo scopo. A titolo illustrativo, alla fine dell’articolo troverai una rappresentazione schematica del circuito e dei fasci di barre di carburante, incluso un blocco in ceramica stampato in 3D. I dati ottenuti attraverso la simulazione aiutano a identificare possibili errori già in fase di progettazione del reattore, poiché gli adeguamenti successivi sono molto difficili e costosi da implementare.
Sfide tecniche nella stampa 3D ceramica
Per simulare realisticamente l’ossido metallico che si forma, il componente ceramico deve generare una resistenza allo scorrimento comparabile. Ciò si ottiene attraverso un’elevata densità di impaccamento e strutture a canale stretto, che “rallentano” la miscela di piombo e bismuto che scorre attraverso. La fluidità isotropa è importante per i calcoli successivi , cioè la resistenza al flusso generata deve essere la stessa su tutta la superficie del componente. Se ci sono differenze, il metallo liquido prende il percorso di minor resistenza e di conseguenza le misurazioni vengono falsificate.
La stampa 3D può riflettere meglio i requisiti rispetto ad altri processi di produzione. Tuttavia, ci sono alcune sfide da superare nel processo:
La geometria deve essere stampabile e, cosa quasi più importante, pulibile. Il “post-processing” (pulizia) dei componenti è reso molto difficile dall’elevata densità di confezionamento
Strutture comuni come il giroide o il reticolo diamantato non hanno fluidità isotropa, quindi è stato necessario sviluppare una nuova struttura geometrica per rappresentare realisticamente il blocco
La combinazione di elevata complessità e sottili ponti di collegamento aumenta il rischio di errori nel processo di stampa. Per evitare ciò, i parametri di stampa devono essere adattati individualmente alla geometria
prospettiva
Le iterazioni finora mostrano che la geometria generata del pozzo in ceramica stampato in 3D riproduce il blocco causato dall’ossido di metallo che si forma. Piccole modifiche hanno lo scopo di ottimizzare ulteriormente la simulazione, ma i risultati indicano già che il freno fluido stampato in 3D soddisfa i requisiti imposti e darà quindi un contributo importante alla simulazione del reattore.
