Oak Ridge National Laboratory ha ricevuto lo SME Aubin Additive Manufacturing Case Study Award 2026 per stampi 3D destinati alla costruzione di reattori nucleari

Un team dell’Oak Ridge National Laboratory, laboratorio del Department of Energy degli Stati Uniti, ha ricevuto lo SME Aubin Additive Manufacturing Case Study Award 2026 per un progetto dedicato alla produzione di stampi compositi ad alta precisione tramite stampa 3D di grande formato. Il riconoscimento premia casi applicativi concreti della manifattura additiva e, in questo caso, riguarda un uso poco comune della tecnologia: realizzare attrezzature per colare componenti in calcestruzzo destinati a impianti nucleari avanzati.

SME assegna l’Aubin AM Case Study Award a casi studio che dimostrano l’adozione reale della manifattura additiva, con componenti stampati e testati. Il premio non richiede necessariamente che il pezzo sia già in produzione, ma chiede che il caso dimostri forma, funzione e prestazioni rispetto ai requisiti applicativi.

Il progetto premiato è stato guidato dalla Manufacturing Demonstration Facility dell’ORNL e ha coinvolto, tra gli altri, University of Maine, Kairos Power e altri partner industriali statunitensi. L’obiettivo tecnico era produrre stampi riutilizzabili per componenti in calcestruzzo impiegati nelle strutture di schermatura di reattori avanzati.

Perché il cantiere è un nodo critico per i reattori modulari

Quando si parla di piccoli reattori modulari e reattori avanzati, l’attenzione finisce spesso su combustibile, sicurezza, sistema di raffreddamento o autorizzazioni. Una parte meno visibile, ma molto concreta, riguarda invece la costruzione fisica dell’impianto. Le strutture in calcestruzzo, le schermature dalle radiazioni, le pareti di protezione e gli elementi di supporto possono incidere molto su tempi, costi e rischio di ritardo.

ORNL sottolinea che le strutture nucleari in calcestruzzo, come quelle usate per la schermatura dalle radiazioni, possono rappresentare fino al 60% del rischio di programma. Questo significa che una soluzione capace di ridurre i tempi di attrezzaggio, modifica e produzione degli stampi può avere effetti diretti sulla pianificazione del cantiere.

Il lavoro si collega al programma dimostrativo di Kairos Power, azienda statunitense impegnata nello sviluppo di reattori avanzati raffreddati con sali fluorurati. Il progetto Hermes di Kairos ha ricevuto dalla U.S. Nuclear Regulatory Commission un permesso di costruzione il 14 dicembre 2023; la NRC descrive Hermes come un reattore di prova a bassa potenza pensato per supportare lo sviluppo della tecnologia KP-FHR, cioè un reattore ad alta temperatura raffreddato con sale fluorurato e alimentato con combustibile TRISO in forma di pebble.

Che cosa ha fatto il team ORNL

Il team ha usato la large-format additive manufacturing, spesso abbreviata in LFAM, per produrre stampi compositi di grandi dimensioni. Questi stampi non sono il componente finale del reattore, ma strumenti di produzione: servono a dare forma al calcestruzzo durante la colata.

Gli stampi sono stati impiegati per realizzare bio-shield strongback columns e pannelli per pareti di schermatura dalle radiazioni. Le colonne misuravano circa 8 × 8 × 20 piedi, cioè circa 2,4 × 2,4 × 6,1 metri. Alcuni pannelli di schermatura raggiungevano 27 piedi, pari a circa 8,2 metri, e includevano giunzioni complesse a incastro che potevano ridurre o eliminare l’uso di malta o grout tra i pezzi.

Il processo ha seguito una catena digitale: progettazione tramite modelli CAD, stampa degli stampi in sezioni, lavorazione meccanica delle superfici e sigillatura. Le superfici critiche hanno raggiunto una precisione di un sedicesimo di pollice, circa 1,6 millimetri. Per un’applicazione di questo tipo il dato non va letto come precisione da microfabbricazione, ma come tolleranza adatta a strutture in calcestruzzo molto grandi, dove il requisito principale è mantenere forma, ripetibilità e accoppiamento tra elementi prefabbricati.

Il confronto con gli stampi in acciaio

Secondo ORNL, il team ha progettato, stampato e consegnato gli stampi riutilizzabili in circa due settimane. Gli stampi tradizionali in acciaio possono richiedere sei-otto settimane e risultano più difficili da modificare quando il progetto cambia.

Questa differenza è importante nei reattori dimostrativi e nei primi impianti di una nuova famiglia tecnologica. In queste fasi, i progetti possono subire aggiornamenti legati a verifiche, dialogo con regolatori, prove di costruibilità o ottimizzazioni di cantiere. Uno stampo stampato in 3D non elimina le verifiche ingegneristiche, ma consente di trasformare una modifica digitale in una nuova attrezzatura con tempi più brevi rispetto alla carpenteria metallica convenzionale.

Gli stampi compositi hanno anche un altro vantaggio pratico: sono più leggeri dell’acciaio. ORNL indica che questa caratteristica li rende più semplici da movimentare in cantiere. Nel caso di componenti di grandi dimensioni, il peso dell’attrezzatura influisce su logistica, mezzi di sollevamento, sicurezza operativa e rapidità delle operazioni.

Resistenza alla pressione del calcestruzzo fresco

La sfida non riguardava solo la forma. Gli stampi dovevano sopportare la pressione del calcestruzzo fresco, colato fino a un’altezza di 12 piedi, cioè circa 3,7 metri. Il calcestruzzo appena gettato esercita spinte elevate sulle pareti dello stampo; se l’attrezzatura si deforma, il componente finale perde precisione e può non rispettare i requisiti di montaggio.

Per questo motivo la parte interessante del progetto non è solo l’uso della stampa 3D, ma l’intero sistema: materiale composito, strategia di stampa, geometria dello stampo, lavorazione successiva e sigillatura. ORNL ha evidenziato che il problema comprendeva sia precisione geometrica sia integrità strutturale sotto carico.

Prove ripetute per Kairos Power

Gli stampi sono stati usati in test a scala reale per il programma dimostrativo di Kairos Power. ORNL riporta quattro cicli di colata per le colonne bio-shield e tre cicli per i pannelli di schermatura, senza perdita misurabile di qualità. Questo dato è centrale perché distingue un semplice prototipo da un’attrezzatura riutilizzabile.

Nel settore delle infrastrutture, un’attrezzatura che funziona una sola volta ha un valore limitato. Un sistema riutilizzabile, invece, può abbassare il costo per componente, migliorare la ripetibilità e rendere più credibile il trasferimento del processo verso più cantieri o più lotti di produzione.

ORNL precisa inoltre che, nel sistema Kairos citato, le strutture in calcestruzzo non svolgono funzione di contenimento pressurizzato. Il sistema opera a bassa pressione, quindi le parti in calcestruzzo non devono essere ermetiche o qualificate come contenimento primario. Questo chiarimento è utile per evitare confusione: il progetto riguarda strutture di schermatura e supporto, non il recipiente del reattore.

Le aziende e gli enti coinvolti

Il riconoscimento include ricercatori e tecnici di Oak Ridge National Laboratory, University of Maine e Kairos Power. Tra i nomi indicati da ORNL compaiono Ahmed Arabi Hassen, Ryan Dehoff, Soydan Ozcan, Halil Tekinalp, Randy Lind, Tyler Smith, Kevin Zinn, Alex Roschli, Pum Kim, Katie Copenhaver, Sherith Bankston, Brittany Rodriguez e David Nuttal per ORNL. Per University of Maine vengono citati Susan MacKay, Wesley Bisson, Scott Tomlinson e Nathan Faessler. Per Kairos Power compaiono Ahmed Elhattab, Brian Song ed Edward Blandford. ORNL cita anche Kim Seeber di Seaboard Services of Virginia, Inc.

In un precedente approfondimento sul progetto, ORNL ha indicato anche altri partner industriali che hanno contribuito alla nuova filiera per infrastrutture nucleari abilitate dalla manifattura additiva: Airtech Advanced Materials Group, TruDesign, Additive Engineering Solutions e Haddy. Barnard Construction ha avuto un ruolo operativo nell’adattamento e nell’uso delle casseforme stampate in 3D, fornendo riscontri dal cantiere e integrando modifiche progettuali durante il lavoro.

Il ruolo di University of Maine e del programma SM2ART

Il progetto si inserisce nel programma SM2ART Moonshot Project, guidato dalla Manufacturing Demonstration Facility di ORNL e dalla University of Maine, con finanziamento del DOE Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office. ORNL porta competenze in materiali, supercalcolo, intelligenza artificiale e produzione additiva di grande formato; University of Maine contribuisce con esperienza in stampa 3D su larga scala, strutture e piattaforme di manifattura digitale.

Il programma prevede anche l’integrazione di tecniche di smart manufacturing, digital twin e controllo qualità basato sui dati. ORNL indica inoltre l’obiettivo di utilizzare feedstock biocompositi ricavati da residui del legno, con una possibile riduzione del costo materiale del 75% rispetto ad alternative più costose.

Che cosa cambia per la costruzione nucleare

Il valore del progetto non sta nel sostituire il calcestruzzo con la stampa 3D. Al contrario, la stampa 3D viene usata per migliorare una fase tradizionale del cantiere: la produzione delle attrezzature di formatura. In questo modo il calcestruzzo resta il materiale strutturale, mentre la manifattura additiva agisce sullo stampo, cioè sull’elemento che determina geometria, ripetibilità e tempi di preparazione.

Questo approccio può essere utile quando i componenti hanno geometrie non standard, giunzioni complesse, forme curve o requisiti di montaggio difficili da ottenere con casseforme convenzionali. La stampa 3D consente di produrre forme su misura senza realizzare ogni volta attrezzature metalliche lunghe da costruire e costose da modificare.

Per i piccoli reattori modulari e per gli impianti avanzati, la possibilità di ripetere componenti simili in più unità è un tema chiave. Se un processo di costruzione digitale viene validato su un reattore dimostrativo, può poi essere trasferito a impianti successivi con meno incertezza. Questo non significa che la stampa 3D risolva da sola i problemi del nucleare, ma indica una strada concreta per ridurre alcune inefficienze del cantiere.

Una tecnologia da verificare su scala industriale

ORNL indica che il team è in discussione con un grande produttore statunitense di prefabbricati per scalare l’approccio. Questo passaggio sarà importante perché il salto da dimostrazione a produzione richiede continuità di processo, tracciabilità, controlli dimensionali, qualifiche dei materiali e capacità di consegna su tempi compatibili con il cantiere.

Il premio SME riconosce quindi un caso applicativo con una ricaduta pratica: usare la stampa 3D grande formato per produrre stampi più rapidi da realizzare, modificabili e riutilizzabili, destinati a strutture in calcestruzzo per impianti nucleari avanzati. Per ORNL, University of Maine, Kairos Power e gli altri partner, il risultato dimostra che la manifattura additiva può uscire dal laboratorio e diventare parte di una catena di costruzione più ampia, dove il vantaggio non è solo geometrico ma anche organizzativo.

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