ORNL componenti di reattori nucleari stampate in 3d

Parti stampate in 3D di ORNL da installare sul reattore nucleare TVA

Durante la ricerca di alcuni degli aspetti più interessanti della tecnologia di stampa 3D, Oak Ridge National Laboratory sta anche fornendo alcune parti stampate in 3D molto interessanti ad alcuni utenti importanti. Le più recenti sono la US Tennessee Valley Authority (TVA) e la francese Framatome , che hanno commissionato al laboratorio del Dipartimento dell’Energia lo sviluppo di un set di quattro staffe da utilizzare presso la centrale nucleare di Browns Ferry. Le staffe metalliche stampate in 3D saranno installate nel sito nella primavera del 2021, diventando le prime del loro genere ad essere utilizzate in un reattore commerciale.

Situato sul fiume Tennessee vicino ad Atene, in Alabama, l’impianto di Browns Ferry era il più grande del mondo al momento della sua operazione iniziale nel 1974. Fu anche il primo a generare più di un gigawatt di potenza. Il vicino lago Wheeler insieme a sette torri di ventilazione raffreddano i tre reattori ad acqua bollente General Electric del sito, che producono quasi 3,8 gigawatt di energia. Questo la rende la seconda centrale nucleare più potente degli Stati Uniti e la più potente gestita dalla TVA.

A partire dal 2019, Browns Ferry ha visto una serie di nuovi aggiornamenti che aumentano la produzione della struttura del 14,3%. Nel 2021, vedrà un altro aggiornamento, anche se relativamente piccolo, del tipo additivo. Come parte del programma Transformational Challenge Reactor (TCR) di ORNL, il laboratorio è stato incaricato di fissare i canali di stampa 3D per un assemblaggio di combustibile per un reattore ad acqua bollente realizzato da Framatome, il fornitore di carburante di TVA. I componenti fissano il canale del carburante al gruppo del combustibile del reattore ad acqua bollente, con il canale del combustibile che si avvolge attorno al gruppo e dirige il refrigerante attraverso le barre del combustibile.

Utilizzando un processo di micro-saldatura, le parti sono state stampate in 3D per rispettare le normative sulla sicurezza dei reattori. Sono stati forniti anche i dati 3D acquisiti durante il processo di stampa, che dettagliano ogni strato della stampa, in modo che la qualità delle parti possa essere certificata. In passato, gli elementi di fissaggio realizzati tradizionalmente erano realizzati con fusioni costose e richiedono una lavorazione di precisione. La produzione additiva (AM), in questo caso, era un modo più efficiente per creare le parti.

Il programma TCR ha lo scopo di introdurre nuovi metodi di produzione ai partner industriali come mezzo per accelerare lo sviluppo dei sistemi nucleari. Poiché le staffe sono fondamentali per l’assemblaggio del combustibile, fungono da utile dimostratore delle capacità che la stampa 3D può portare al settore dell’energia nucleare. A sua volta, la produzione additiva potrebbe essere utilizzata per fabbricare parti più complesse per applicazioni di energia nucleare in futuro.

“Questo è uno dei primi passi negli sforzi coordinati di ORNL con l’Ufficio di ricerca normativa della Nuclear Regulatory Commission e i fornitori nucleari per dimostrare che è possibile un approccio nuovo e notevolmente accelerato per la fabbricazione di parti qualificate”, ha affermato il direttore del TCR Kurt Terrani.

Framatome ha iniziato a esplorare l’AM per le applicazioni del combustibile nucleare nel 2015, concentrandosi su acciaio inossidabile e leghe a base di nichel per le parti di assemblaggio del combustibile. I suoi esperti hanno quindi lavorato a stretto contatto con i clienti e si sono affidati ai finanziamenti dell’Unione Europea e del DOE per spingere ulteriormente la tecnologia.

Queste staffe di assemblaggio del carburante, prodotte da ORNL in collaborazione con Framatome e la Tennessee Valley Authority, sono i primi componenti di sicurezza stampati in 3D ad essere inseriti in una centrale nucleare. Immagine per gentile concessione di Fred List / ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
L’uso dell’AM per questa applicazione è una scelta ovvia, data la forte proposta di valore della stampa 3D per parti ad alto costo e in quantità ridotte. Essendo una tecnologia facilmente in grado di produrre geometrie complesse in piccoli numeri a prezzi competitivi con le tecniche di produzione tradizionali, AM è ideale per industrie come il nucleare, l’aerospaziale e gli sport motoristici. Può essere utilizzato non solo per realizzare parti con prestazioni migliori a un prezzo inferiore, ma anche con tempi di consegna più brevi.

Per questo motivo, abbiamo visto numerosi progetti applicare la stampa 3D alla produzione di parti di reattori nucleari. Mentre l’Idaho National Laboratory utilizza la tecnologia per fabbricare parti per i suoi sforzi di ricerca, l’Università di Pittsburgh ha ricevuto 1 milione di dollari per studiare la stampa 3D di componenti per reattori nucleari. Nel 2017, Siemens aveva già installato una parte stampata in 3D in un reattore nucleare, il che ha spinto Westinghouse a perseguire un’iniziativa simile. Ci sono persino progetti in corso per utilizzare la stampa 3D per riciclare il combustibile nucleare e persino la fusione nucleare (la tecnologia energetica molto ricercata che è l’opposto della fissione che alimenta le centrali nucleari esistenti).

I dispositivi di fissaggio sono già stati installati sui gruppi di combustibile ATRIUM 10XM presso l’impianto di produzione di combustibile nucleare di Framatome a Richland, Washington. Nel marzo 2021, le nuove staffe saranno installate su Browns Ferry 2 durante un’interruzione programmata per il rifornimento e rimarranno lì per sei anni mentre le parti vengono ispezionate durante il loro utilizzo.

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