Reactores nucleares de impresión 3D para entretenimiento y enriquecimiento

En las últimas décadas, la fabricación aditiva , también conocida como impresión 3D, se ha vuelto cada vez más común en la fabricación. En primer lugar, son muy adecuados para la creación de prototipos de nuevos productos: pasa poco tiempo entre el desarrollo y las pruebas. Sin embargo, se utilizan cada vez más en la fabricación de todo, desde pequeños lotes de productos hasta cascos a medida e incluso componentes de motores de cohetes.



La ventaja obvia de las tecnologías aditivas es que utilizan equipos no específicos y materiales comunes como recursos, no necesitan moldes costosos como en el caso del moldeo por inyección, y no requieren un proceso de mecanizado largo y derrochador en fresadoras y máquinas similares. Toda la producción se reduce a alimentar un modelo 3D y uno o más materiales de entrada a la entrada del dispositivo de impresión, y este dispositivo convierte el modelo 3D en un objeto físico con muy poco desperdicio.



Estas ventajas no se han pasado por alto en la industria nuclear. Como resultado, se fabrican varios componentes en las impresoras 3D, desde aquellos que admiten la operabilidad de los reactores existentes hasta herramientas que ayudan a tratar el combustible gastado e incluso reactores nucleares completos.

Este no es su modelo habitual de deposición fundida

Cualquiera que use una impresora 3D que use PLA, ABS o resina SLA sensible a los rayos UV puede dar fe de que el costo de producir artículos de esta manera es difícil de superar. El proceso de producción de todo, desde un engranaje roto en el motor hasta el caso especial de una nueva placa de circuito impreso, será más rápido y más barato que los tradicionales, si estamos hablando de hacer una pequeña cantidad de copias.





Relativity Space imprime Aeon Engine



Es por esto que la industria aeroespacial, desde la NASA hasta las nuevas empresas en el campo, tiene una actitud cálida hacia el uso de tecnologías aditivas para la creación de prototipos y la producción en sí. Los motores de cohetes y sus innumerables componentes, incluidas las bombas y válvulas turbo, están idealmente impresos en 3D. Cada motor prototipo es diferente del anterior, y en total se producen varios cientos al año, como es el caso del motor Merlin 1D del cohete SpaceX Falcon 9. Las nuevas empresas , en particular, Relativity Space , sugieren que el uso de tecnologías aditivas transformará por completo la industria espacial.



Naturalmente, aquí no estamos hablando de una impresora con un valor de hasta $ 2000, que se fabrica con tecnología FDM (Modelado por deposición fundida ) Piezas de PLA o ABS. Y ni siquiera sobre las modernas impresoras SLA ( litografía estéreo láser ), que cuestan un automóvil. Para imprimir piezas de aluminio, o incluso de titanio, necesita una impresora SLM ( fusión selectiva por láser ), también conocida como impresora láser de fusión directa por metal. Este es otro paso después de las impresoras SLS ( Selective Laser Sintering ), que unen materiales (nylon, metal, cerámica o vidrio) pero no los funden.



SLM es similar a SLA, solo se invierte el principio de impresión. Se agrega polvo de metal fresco encima de la parte impresa, el láser lo funde y agrega una nueva capa. Todo sucede en un recipiente sellado lleno de gas inerte para evitar la oxidación. Puedes adivinar que los autos para el SLM ya son como una casa entera.



A modo de comparación, el sitio web All3DP tiene una placa de este tipo, que enumera el costo de fabricación de un modelo de barco Benchy estándar al imprimir desde varios metales.

Reactor nuclear

El próximo paso natural de la tecnología aditiva será la transición del infierno térmico de un motor de cohete a un ambiente más relajado, aunque quizás más radiactivo, de un reactor nuclear. Los reactores nucleares son rentables para ser fabricados en grandes cantidades, luego las economías de escala funcionan. Sin embargo, en las últimas décadas en los Estados Unidos, por ejemplo, este mercado prácticamente ha desaparecido, aunque antes era bastante extenso.



Cuando los antiguos gigantes nucleares querían volver al juego: Estados Unidos con el AP1000 y Francia con el EPR- Resultó que se construyeron exactamente las mismas centrales nucleares en China (que tiene una industria nuclear fuerte). Se conectaron 4 reactores AP1000 y 2 reactores EPR a la red muchos años antes de que los países que los desarrollaron planearan construirlos y conectarlos. Irónicamente, las bombas de enfriamiento AP1000 de fabricación estadounidense están sujetas a fallas constantes .



El problema de cualquier proyecto de infraestructura importante es la disponibilidad de los conocimientos necesarios y las cadenas de suministro. Cuando un país construye y mantiene regularmente plantas de energía nuclear, retiene tanto la cadena de suministro como los especialistas necesarios para trabajar con ellas. Cuando un país deja de construir nuevas centrales nucleares durante varias décadas, las cadenas de suministro desaparecen y se pierde el conocimiento. Por supuesto, puede reconstruir toda la producción y atraer personas, pero tiene sentido considerar enfoques más eficientes para la producción de dicho equipo.



En un intento de los Estados Unidos de ponerse al día con países como Canadá, Rusia [ ocupó el primer lugar en el mundopor el número de plantas de energía nuclear en construcción] y Corea del Sur, el Departamento de Energía de EE. UU. asignó al Laboratorio Nacional de Oak Ridge la tarea de liderar el programa Reactor del desafío transformador (TCR). El programa debería "demostrar un enfoque revolucionario para el despliegue de nuevos sistemas de energía nuclear". De hecho, el objetivo del proyecto es imprimir en 3D tantos microrreactores como sea posible para demostrar las posibilidades que ofrecen las tecnologías aditivas.

Trabaja en detalles

Trabajando con el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL), ORNL está trabajando en los muchos detalles involucrados en este cambio radical en la fabricación para satisfacer la creciente demanda de materiales utilizados en un reactor nuclear. Hay preguntas sobre la deformación térmica y la fatiga de los materiales en comparación con los componentes fabricados de la manera habitual. Algunos de los resultados de estos estudios se describen en un nuevo trabajo , que puede proporcionar una idea de la cantidad de trabajo invertido en la investigación de la viabilidad de dicho enfoque.



ANL ya ha publicado los descubrimientos realizados durante la impresión SLM utilizando imágenes de rayos X de alta velocidad, lo que nos permite examinar el proceso en detalle. Uno de los principales problemas que encontraron se relaciona con el flujo de aire forzado, que absorbe material más frío en la masa fundida. Como resultado, estas piezas de material frío conducen a defectos en el producto terminado.



En la lista de hechos del proyecto TCRse describe que el microrreactor deberá utilizar partículas de combustible TRISO (nitruro de uranio), un moderador de neutrones de hidruro de itrio y un núcleo de carburo de silicio y acero inoxidable impreso en una impresora 3D. El reactor se enfriará con helio, que es bastante único, ya que la mayoría de los reactores modernos usan agua, agua pesada o sodio para enfriarse.



Dado que el programa TCR es bastante joven (la primera publicación se remonta a 2019), es difícil evaluar su progreso o entender qué esperar de él. Para hacer esto, uno puede evaluar lo que ya sucedió en el proceso de integración de tecnologías aditivas en la industria nuclear.

Integración de tecnologías aditivas en la industria nuclear.

Hasta ahora, se han impreso componentes relativamente simples en una impresora 3D para reactores nucleares. En 2017, Siemens reemplazó un impulsor de 108 mm en una bomba contra incendios en una planta de energía nuclear en Krsko en Eslovenia con una copia impresa en una impresora 3D. El fabricante de la bomba original ya ha cerrado, ya que la bomba se instaló en algún lugar en 1980.



Westinghouse también está trabajando en esta dirección, y recientemente instaló una funda impresa en 3D en el primer módulo de la central nuclear de Byron . Este dispositivo sujeta las barras de combustible.a medida que descienden en el reactor. Uno de los motivos principales para instalarlo es el deseo de comprender cómo el entorno de un reactor nuclear afectará los materiales impresos en una impresora 3D, y si habrá una diferencia con los componentes fabricados de la manera habitual.

Vamos a resumir

Está claro que la impresión 3D tiene un futuro prometedor en la fabricación. En el caso de la industria nuclear, no solo ofrece una buena manera de producir piezas de repuesto para reactores mayores de 60 años, más de la mitad de cuyos proveedores ya han cerrado o cambiado la producción. Junto con muchas otras nuevas tecnologías de fabricación, también ofrece nuevas y emocionantes oportunidades para la próxima generación de reactores nucleares, ya sean reactores de fusión o de fisión.



Tiene muchas ventajas obvias: acelerar la creación de prototipos de nuevos reactores y conceptos, garantizar el funcionamiento de los reactores en asentamientos remotos y futuras colonias en la Luna y Marte sin tener que depender de una cadena de suministro compleja. No es en última instancia la cuestión del costo: la producción de un reactor por este método debería ser mucho más barata y, posiblemente, permitirá producir y ensamblar reactores en el acto.



Obviamente, todo esto no es muy interesante para las personas que no tienen acceso a las impresoras SLM, pero quién sabe, tal vez en diez años todos imprimiremos nuestros propios motores de cohetes y componentes de reactores termonucleares en casa.