Reaktor nuklir pencetakan 3D untuk hiburan dan pengayaan

Dalam beberapa dekade terakhir, teknologi aditif , juga dikenal sebagai pencetakan 3D, semakin banyak ditemukan dalam manufaktur. Pertama-tama, mereka sangat cocok untuk membuat prototipe produk baru - sedikit waktu berlalu antara pengembangan dan pengujian. Namun, mereka semakin digunakan dalam pembuatan segala sesuatu mulai dari sejumlah kecil barang hingga lambung kapal yang dipesan lebih dahulu dan bahkan komponen mesin roket.



Keuntungan yang jelas dari teknologi aditif adalah bahwa mereka menggunakan peralatan non-spesifik dan bahan umum sebagai sumber daya, mereka tidak membutuhkan cetakan mahal seperti dalam hal cetakan injeksi, dan mereka tidak memerlukan proses pengerjaan mesin yang panjang dan boros pada milling dan mesin sejenis. Seluruh produksi turun untuk memberi makan model 3D dan satu atau lebih bahan input ke input perangkat pencetakan - dan perangkat ini mengubah model 3D menjadi objek fisik dengan limbah yang sangat sedikit.



Industri nuklir belum mengabaikan keuntungan ini. Akibatnya, berbagai komponen dibuat pada printer 3D - mulai dari yang mendukung pengoperasian reaktor yang ada hingga alat yang membantu memproses bahan bakar bekas dan bahkan reaktor nuklir pada umumnya.

Ini bukan pemodelan deposisi yang biasa Anda lakukan

Siapa pun yang menggunakan printer 3D yang bekerja dengan resin SLA, ABS, atau UV-sensitif dapat membuktikan bahwa biaya memproduksi barang dengan cara ini sulit dikalahkan. Proses pembuatan segala sesuatu mulai dari gigi yang rusak di mesin hingga casing khusus untuk papan sirkuit tercetak yang baru akan lebih cepat dan lebih murah daripada yang tradisional - dalam hal membuat sejumlah kecil salinan.





Ruang Relativitas mencetak Aeon Engine



Karena inilah industri kedirgantaraan, dari NASA hingga perusahaan pemula di bidang ini, bersikap hangat tentang penggunaan teknologi aditif untuk pembuatan prototipe dan produksi itu sendiri. Mesin roket dan komponennya yang tak terhitung jumlahnya, termasuk pompa dan katup turbo, idealnya dicetak 3D. Setiap mesin prototipe berbeda dari yang sebelumnya, dan secara total mereka diproduksi beberapa ratus setahun - seperti halnya dengan mesin Merlin 1D dari roket SpaceX Falcon 9. Startups, khususnya, Relativity Space , menunjukkan bahwa penggunaan teknologi aditif akan sepenuhnya mengubah industri luar angkasa.



Secara alami, di sini kita tidak berbicara tentang printer bernilai hingga $ 2000, yang diproduksi menggunakan teknologi FDM (pemodelan deposisi ) bagian plastik dari PLA atau ABS. Dan bahkan tidak tentang printer SLA modis ( laser stereolithography ), yang harganya mobil. Untuk mencetak aluminium, atau bahkan bagian titanium, Anda memerlukan printer SLM ( Selective Laser Melting ), alias printer peleburan logam laser langsung. Ini adalah langkah lain setelah printer SLS ( Selective Laser Sintering ) yang mengikat bahan bersama-sama (nilon, logam, keramik, atau kaca) tetapi tidak mencairkannya.



SLM mirip dengan SLA, hanya prinsip pencetakan yang dibalik. Bubuk logam segar ditambahkan di atas bagian yang dicetak, laser melelehkannya dan menambahkan lapisan baru. Semuanya terjadi dalam wadah tertutup yang diisi dengan gas inert untuk menghindari oksidasi. Anda dapat menebak bahwa mesin untuk SLM sudah hampir seperti seluruh rumah.



Sebagai perbandingan, situs web All3DP memiliki pelat seperti itu, yang mencantumkan biaya pembuatan model kapal Benchy standar saat mencetak dari berbagai logam.

Reaktor nuklir

Langkah alami berikutnya untuk teknologi aditif adalah bergerak dari neraka panas mesin roket ke lingkungan yang lebih tenang - walaupun mungkin lebih radioaktif - dari reaktor nuklir. Reaktor nuklir menguntungkan untuk diproduksi dalam jumlah besar, kemudian skala ekonomis. Namun, selama beberapa dekade terakhir di Amerika Serikat, misalnya, pasar ini praktis telah menghilang, meskipun dulu cukup luas.



Ketika mantan raksasa industri nuklir ingin kembali ke permainan - Amerika Serikat dengan reaktor AP1000 dan Perancis dengan reaktor EPR- Ternyata pembangkit listrik tenaga nuklir yang sama persis dibangun di Cina (memiliki industri nuklir yang kuat). 4 reaktor AP1000 dan 2 reaktor EPR terhubung ke jaringan bertahun-tahun sebelum negara-negara yang mengembangkannya berencana untuk membangun dan menghubungkan mereka. Ironisnya, pompa pendingin di AP1000 yang dibuat di AS mengalami kegagalan konstan .



Masalah dengan proyek infrastruktur yang signifikan adalah memiliki pengetahuan dan rantai pasokan yang tepat. Ketika suatu negara secara teratur membangun dan memelihara pembangkit listrik tenaga nuklir, ia memelihara rantai pasokan dan spesialis yang diperlukan untuk bekerja dengannya. Ketika suatu negara berhenti membangun pembangkit listrik tenaga nuklir baru selama beberapa dekade, rantai pasokan menghilang dan pengetahuan hilang. Tentu saja, Anda dapat membangun kembali seluruh produksi dan menarik orang, tetapi masuk akal untuk mempertimbangkan pendekatan yang lebih efisien untuk produksi peralatan tersebut.



Dalam upaya Amerika Serikat untuk mengejar ketinggalan dengan negara-negara seperti Kanada, Rusia [yang ada di tempat pertama di duniaoleh jumlah pembangkit listrik tenaga nuklir yang sedang dibangun] dan Korea Selatan, Departemen Energi AS menugaskan Oak Ridge National Laboratory untuk memimpin program Transformational Challenge Reactor (TCR). Program harus "menunjukkan pendekatan revolusioner untuk penyebaran sistem energi nuklir baru." Faktanya, tujuan dari proyek ini adalah mencetak 3D sebanyak mungkin mikroreaktor untuk menunjukkan kemungkinan yang ditawarkan oleh teknologi aditif.

Bekerja pada detail

Bekerja dengan Argonne National Laboratory (ANL) dan Idaho National Laboratory (INL), ORNL bekerja pada banyak detail yang terlibat dalam perubahan radikal dalam pembuatan ini untuk memenuhi meningkatnya permintaan bahan yang digunakan dalam reaktor nuklir. Pertanyaan yang diajukan tentang distorsi panas dan kelelahan bahan dibandingkan dengan komponen konvensional. Beberapa hasil studi ini dijelaskan dalam pekerjaan baru , yang dapat memberikan gambaran tentang jumlah pekerjaan yang diinvestasikan dalam meneliti kelayakan pendekatan semacam itu.



ANL telah menerbitkan penemuan yang dibuat selama pencetakan SLM menggunakan pencitraan sinar-X kecepatan tinggi, yang memungkinkan kita untuk memeriksa proses secara terperinci. Salah satu masalah utama yang mereka temukan berkaitan dengan aliran udara paksa, yang menghisap bahan yang lebih dingin ke dalam massa cair. Akibatnya, potongan material dingin ini menyebabkan cacat pada produk jadi.



Pada daftar fakta proyek TCRmenjelaskan bahwa mikroreaktor akan menggunakan partikel bahan bakar TRISO (uranium nitride), moderator yttrium hidrida neutron, dan silikon karbida silikon dicetak dan inti baja tahan karat. Reaktor akan didinginkan dengan helium, yang cukup unik, karena sebagian besar reaktor modern menggunakan air, air berat atau natrium untuk pendinginan.



Karena program TCR masih sangat muda ( pertama kali diterbitkan pada tahun 2019), sulit untuk menilai kemajuannya atau memahami apa yang diharapkan darinya. Untuk melakukan ini, orang dapat menilai apa yang telah terjadi dalam proses mengintegrasikan teknologi aditif ke dalam industri nuklir.

Integrasi teknologi aditif ke dalam industri nuklir

Sejauh ini, komponen yang relatif sederhana telah dicetak pada printer 3D untuk reaktor nuklir. Pada tahun 2017, Siemens mengganti impeler 108 mm dalam pompa kebakaran di pembangkit listrik tenaga nuklir Krško di Slovenia dengan salinan cetak 3D. Pabrik pompa yang asli telah dimatikan sejak pompa itu dipasang pada tahun 1980.



Westinghouse juga bekerja ke arah ini, dan baru-baru ini memasang selongsong cetak 3D pada modul pertama pembangkit listrik tenaga nuklir Byron . Perangkat ini memegang batang bahan bakarketika mereka turun ke reaktor. Salah satu motif utama untuk menginstalnya adalah keinginan untuk memahami bagaimana lingkungan reaktor nuklir akan mempengaruhi bahan yang dicetak pada printer 3D, dan apakah akan ada perbedaan dengan komponen yang diproduksi dengan cara biasa.

Untuk meringkas

Jelas bahwa pencetakan 3D memiliki masa depan yang menjanjikan di bidang manufaktur. Dalam kasus industri nuklir, ini tidak hanya menawarkan cara yang baik untuk menghasilkan suku cadang pengganti untuk reaktor yang berusia lebih dari 60 tahun, lebih dari setengah pemasoknya telah menutup atau mengubah produksi. Seiring dengan banyak teknologi manufaktur baru lainnya, ia juga menawarkan peluang baru yang menarik untuk reaktor nuklir generasi mendatang, baik itu reaktor fusi atau fisi.



Ini memiliki banyak keuntungan yang jelas - untuk mempercepat pembuatan prototipe reaktor dan konsep baru, untuk memastikan berfungsinya reaktor di pemukiman terpencil dan koloni masa depan di Bulan dan Mars tanpa perlu bergantung pada rantai pasokan yang kompleks. Bukan di tempat terakhir adalah masalah biaya - produksi reaktor dengan metode ini harus jauh lebih murah, dan, mungkin, akan memungkinkan untuk memproduksi dan merakit reaktor tepat di tempat.



Semua ini, tentu saja, tidak terlalu menarik bagi orang-orang yang tidak memiliki akses ke printer SLM - tetapi siapa tahu, mungkin dalam sepuluh tahun kita semua akan mencetak mesin roket kita sendiri dan komponen reaktor termonuklir di rumah.