Impression 3D de réacteurs nucléaires pour le divertissement et l'enrichissement

Au cours des dernières décennies, la fabrication additive , également connue sous le nom d'impression 3D, est devenue de plus en plus courante dans la fabrication. Tout d'abord, ils sont bien adaptés au prototypage de nouveaux produits - peu de temps s'écoule entre le développement et les tests. Cependant, ils sont de plus en plus utilisés dans la production de tout, de petits lots de marchandises aux carters sur mesure et même aux composants de moteurs de fusée.



L'avantage évident des technologies additives est qu'elles utilisent des équipements non spécifiques et des matériaux courants comme ressources, qu'elles n'ont pas besoin de moules coûteux comme le moulage par injection, et qu'elles ne nécessitent pas un processus d'usinage long et inutile sur des fraiseuses et des machines similaires. Toute production se résume à alimenter un modèle 3D et un ou plusieurs matériaux d'entrée à l'entrée d'un appareil d'impression - et cet appareil transforme le modèle 3D en un objet physique avec très peu de déchets.



Ces avantages n'ont pas été négligés dans l'industrie nucléaire. En conséquence, divers composants sont fabriqués sur des imprimantes 3D - de ceux qui prennent en charge le fonctionnement des réacteurs existants aux outils qui aident à traiter le combustible usé et même des réacteurs nucléaires entiers.

Ce n'est pas votre simulation de fusion habituelle.

Quiconque utilise une imprimante 3D qui fonctionne avec de la résine PLA, ABS ou SLA sensible aux UV peut attester que le coût de production d'articles de cette manière est difficile à battre. Le processus de production de tout, d'un engrenage cassé dans le moteur au cas spécial d'une nouvelle carte de circuit imprimé, sera plus rapide et moins cher que les traditionnels - si nous parlons de faire un petit nombre de copies.





Espace de relativité imprime Aeon Engine



C'est pour cette raison que l'industrie aérospatiale, de la NASA aux start-ups du domaine, a une attitude chaleureuse envers l'utilisation de technologies additives pour le prototypage et la production elle-même. Les moteurs de fusée et leurs innombrables composants, y compris les turbopompes et les soupapes, sont idéalement imprimés en 3D. Chaque prototype de moteur est différent du précédent, et au total ils sont produits plusieurs centaines par an - comme c'est le cas avec le moteur Merlin 1D de la fusée SpaceX Falcon 9. Les startups, en particulier Relativity Space , suggèrent que l'utilisation de technologies additives transformera complètement l' industrie spatiale.



Naturellement, nous ne parlons pas ici d'une imprimante valant jusqu'à 2000 $, qui est fabriquée à l'aide de la technologie FDM (Modélisation des dépôts fondus ) Pièces en PLA ou ABS. Et pas même sur les imprimantes SLA à la mode ( lithographie stéréo laser ), qui coûtent une voiture. Pour imprimer des pièces en aluminium, voire en titane, vous avez besoin d'une imprimante SLM ( fusion laser sélective ), qui est également une imprimante de fusion laser directe des métaux. C'est une autre étape après les imprimantes SLS ( Selective Laser Sintering ), qui lient les matériaux entre eux (nylon, métal, céramique ou verre) sans les faire fondre.



SLM est similaire à SLA, seul le principe de l'impression est inversé. De la poudre métallique fraîche est ajoutée sur la partie imprimée, le laser la fait fondre et ajoute une nouvelle couche. Tout se déroule dans un contenant hermétique rempli d'un gaz inerte pour éviter l'oxydation. Vous pouvez deviner que les voitures du SLM sont déjà à peu près comme une maison entière.



À titre de comparaison, sur le site Web All3DP, une telle plaque répertorie le coût de fabrication d'un modèle de bateau Benchy standard pour l'impression à partir de divers métaux.

Réacteur nucléaire

La prochaine étape naturelle de la technologie additive sera la transition de l'enfer thermique d'un moteur de fusée à un environnement plus détendu - bien que peut-être plus radioactif - d'un réacteur nucléaire. Les réacteurs nucléaires sont rentables à fabriquer en grande quantité, alors les économies d'échelle fonctionnent. Cependant, au cours des dernières décennies aux États-Unis, par exemple, ce marché a pratiquement disparu, même s'il était auparavant très étendu.



Quand les anciens géants du nucléaire ont voulu revenir dans le jeu - les États-Unis avec l' AP1000 et la France avec l' EPR- il s'est avéré qu'exactement les mêmes centrales nucléaires ont été construites en Chine (qui possède une industrie nucléaire forte). 4 réacteurs AP1000 et 2 réacteurs EPR ont été connectés au réseau de nombreuses années avant que les pays qui les ont développés envisagent de les construire et de les connecter. Il est ironique que les pompes de refroidissement de l'AP1000, fabriqué aux États-Unis, soient constamment en panne .



Le problème avec tout projet d'infrastructure important est d'avoir les bonnes connaissances et les chaînes d'approvisionnement. Lorsqu'un pays construit et entretient régulièrement des centrales nucléaires, il maintient à la fois la chaîne d'approvisionnement et les spécialistes nécessaires pour travailler avec elles. Lorsqu'un pays arrête de construire de nouvelles centrales nucléaires pendant plusieurs décennies, les chaînes d'approvisionnement disparaissent et les connaissances sont perdues. Bien sûr, vous pouvez reconstruire toute la production et attirer des personnes, mais il est logique d'envisager des approches plus efficaces pour la production de tels équipements.



Dans une tentative des États-Unis de rattraper des pays comme le Canada, la Russie [ classée au premier rang mondialen termes de nombre de centrales nucléaires en construction] et en Corée du Sud, le département américain de l'Énergie a mis le Oak Ridge National Laboratory à la tête du programme Transformational Challenge Reactor (TCR). Le programme devrait "démontrer une approche révolutionnaire du déploiement de nouveaux systèmes d'énergie nucléaire". En fait, l'objectif du projet est d'imprimer en 3D autant de microréacteurs que possible pour démontrer les possibilités offertes par les technologies additives.

Travailler sur les détails

En collaboration avec l'Argonne National Laboratory (ANL) et l'Idaho National Laboratory (INL), ORNL travaille sur les nombreux détails impliqués dans ce changement radical de fabrication pour répondre à la demande croissante de matériaux utilisés dans un réacteur nucléaire. Il y a des questions sur la déformation thermique et la fatigue des matériaux par rapport aux composants fabriqués de manière habituelle. Certains des résultats de ces études sont décrits dans un nouvel ouvrage sur lequel vous pouvez vous faire une idée de la quantité de travail investie dans l'étude de la viabilité d'une telle approche.



ANL a déjà publié les découvertes faites dans le processus d'impression SLM en utilisant la photographie aux rayons X à haute vitesse, ce qui nous permet d'examiner le processus en détail. L'un des principaux problèmes qu'ils ont découverts est lié au flux d'air forcé, en raison duquel le matériau plus froid est aspiré dans la masse fondue. En conséquence, ces morceaux de matière froide entraînent des défauts dans le produit fini.



Sur la liste des faits du projet TCRdécrit que le microréacteur devra utiliser des particules de combustible TRISO (nitrure d'uranium), un modérateur de neutrons à l'hydrure d'yttrium et un noyau en carbure de silicium et en acier inoxydable imprimé en 3D. Le réacteur sera refroidi à l'hélium, ce qui est assez unique, car la plupart des réacteurs modernes utilisent de l'eau, de l'eau lourde ou du sodium pour le refroidissement.



Étant donné que le programme TCR est assez jeune ( publié pour la première fois en 2019), il est difficile d'évaluer ses progrès ou de savoir à quoi s'attendre. Pour ce faire, on peut évaluer ce qui s'est déjà produit dans le processus d'intégration des technologies additives dans l'industrie nucléaire.

Intégration des technologies additives dans l'industrie nucléaire

Jusqu'à présent, des composants relativement simples ont été imprimés sur une imprimante 3D pour les réacteurs nucléaires. En 2017, Siemens a remplacé une turbine de 108 mm dans une pompe à incendie de la centrale nucléaire de Krško en Slovénie par une copie imprimée en 3D. Le fabricant de la pompe d'origine a déjà fermé ses portes depuis l'installation de la pompe en 1980.



Westinghouse travaille également dans ce sens et a récemment installé un manchon imprimé en 3D sur le premier module de la centrale nucléaire de Byron . Cet appareil contient les crayons combustibles.pendant qu'ils s'enfoncent dans le réacteur. L'une des principales raisons de son installation est le désir de comprendre comment l'environnement d'un réacteur nucléaire affectera les matériaux imprimés sur une imprimante 3D, et s'il y aura une différence avec les composants fabriqués de la manière habituelle.

Résumons

De toute évidence, l'impression 3D a un avenir prometteur dans la fabrication. Dans le cas de l'industrie nucléaire, il offre non seulement un bon moyen de produire des pièces de rechange pour les réacteurs de plus de 60 ans, dont plus de la moitié des fournisseurs ont déjà fermé ou changé de production. Outre de nombreuses autres nouvelles technologies de fabrication, il offre également de nouvelles opportunités intéressantes pour la prochaine génération de réacteurs nucléaires, qu'il s'agisse de réacteurs à fusion ou à fission.



Il présente de nombreux avantages évidents - accélérer le prototypage de nouveaux réacteurs et concepts, assurer le fonctionnement des réacteurs dans les colonies éloignées et les futures colonies sur la Lune et Mars sans avoir à s'appuyer sur une chaîne d'approvisionnement complexe. La question du coût n'est pas la dernière place - la production d'un réacteur par cette méthode devrait être beaucoup moins chère, et, éventuellement, permettra la production et l'assemblage de réacteurs sur place.



Tout cela, évidemment, n'est pas très intéressant pour les personnes qui n'ont pas accès aux imprimantes SLM - mais qui sait, peut-être que dans dix ans, nous imprimerons tous nos propres moteurs de fusée et composants de réacteurs à fusion chez nous.