米国エネルギー省、原子炉用タングステン部品の3Dプリント研究のためアイオワ州に100万ドルを授与

2024 年 10 月 7 日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省 (DOE) がアイオワ州立大学に、指向性エネルギー堆積 (DED) 積層造形 (AM) 技術を使用して原子炉で使用できるタングステンベースの防護シールドとコンポーネントを製造する可能性を開発するための 100 万ドルの 4 年間のプロジェクトを授与したことを知りました。この資金は、米国の 5 つの連邦政府機関にまたがる研究開発活動である「競争的研究を刺激するための確立されたプログラム (EPSCoR)」プログラムから提供されます。

アイオワ州立大学機械工学助教授のソウガタ・ロイ博士が、ノースダコタ大学機械工学助教授のヤチャオ・ワン博士、および米国エネルギー省の3つの研究所の研究者とともに、このプロジェクトの主任研究者を務めている。この助成金により、ロイ氏は主任研究者として、いわゆる「ドリームチーム」プロジェクトを編成することができるようになる。「極限の用途と管理のためのタングステンの付加製造のための堅牢なエコシステムの開発」である。

「このプロジェクトに興奮している大きな理由の1つは、原子力エネルギーを使用していることです」とロイ氏は語った。「原子力エネルギーは米国最大のクリーンエネルギー源です（米国エネルギー情報局の報告によると、米国の電力の約19％は原子力発電で、約10％は風力発電です）。このような排出ゼロの電力は将来にとって非常に重要です。」

他の高融点金属と同様に、タングステンは融点が高く、腐食に強いため、原子力エネルギーにおいて大きな可能性を秘めています。タングステンは、高温でも強度を維持し、融点が高く、高エネルギー中性子にさらされても腐食せず、放射性トリチウムの含有量が少ないため、核融合炉の内壁に適した材料です。
しかし、タングステンは従来の製造方法では加工が非常に困難です。しかしロイ氏は、タングステンは硬くて脆いため、従来の製造業者が使用するには高価すぎると述べた。このため、関連する学術界は、この材料を加工するための潜在的な候補として積層造形を検討するようになりました。彼らは、指向性エネルギー堆積（DED）技術を使用してタングステンベースの合金を3Dプリントしようとします。この技術では、酸素を制御した条件下でレーザーを使用してタングステン粉末を処理し、その後金属を層ごとに印刷します。

原子力エネルギー用途で他の鉄鋼系合金を3Dプリントした経験を持つロイ氏は、このプロジェクトにより、プリントしたサンプルの機械的特性（計測された圧痕特性や破壊靭性など）を特徴付けるための新しい機器を購入できるようになると語った。ロイ氏はまた、このプロジェクトの最もユニークな部分は実際の印刷ではなく、実験作業を補完する印刷プロセスの物理ベースのモデリングと計算シミュレーションであると述べた。
モデリングとシミュレーションでは、機械学習と人工知能のツールを使用して、研究者が実験結果の背後にある理論を構築するのに役立ちます。このシミュレーションは、原子炉内の過酷な条件に耐えられるタングステン合金配合物の開発にも役立つだろう。「まずは純粋なタングステンから始め、最終的にはこの亀裂の問題を解決するために新しい合金を開発するつもりだ」とロイ氏は語った。
△ORNLの研究者らは、電子ビームベースの粉末床溶融結合（EB-PBF）技術を使用して、複雑な形状を持つ欠陥のないタングステン部品を初めて3Dプリントしました。画像提供: Michaela Bluedorn/ORNL、米国エネルギー省。
同時に、この軌道は、新たな原子力エネルギー技術の研究開発に対する資金調達機会の増加と交差しています。「この先進的な製造、特に積層造形法を用いた研究は、変化をもたらすものです」と、ソウガタ・ロイ博士はプレスリリースで述べています。「このプロジェクトで私が興奮していることの 1 つは、原子力エネルギーとの連携です。原子力は米国最大のクリーンエネルギー源です。この排出ガスのない電力は、将来にとって重要です。私たちは純粋なタングステンから始めています。最終的には、この亀裂の課題を解決するために新しい合金を開発する予定です。」

原子力エネルギーへの新たな関心は、炭素排出量を削減する必要性だけによって推進されているのではない。同様に、AI データセンター用の新たな発電能力を構築する緊急性から、テクノロジー企業は入手可能な最も安価な電源を確保しようと躍起になっている。たとえば、マイクロソフトは最近、コンステレーション・エナジーと、2019年から停止していたスリーマイル島原子力発電所を2028年までに再稼働させることに合意した。
ペンシルベニア州立大学が最近国防総省の資金提供を受けて実施した 3D プリントセラミックプロジェクトと同様に、ISU プロジェクトでは機械学習とシミュレーションを現実世界の実験と組み合わせることになります。実際、ロイ博士はISUに対し、機械学習の側面がプログラム開発の「最もユニークな部分」であると考えていると語った。
そのため、AI ブームの観察者が投資収益がどこから得られるのか疑問に思い始める中、付加製造用の新素材の開発が AI ユースケースの増加源となっていることは注目に値します。 AI は積層造形を可能にする潜在的な技術として見られることが多いですが、将来を見据えると、逆の可能性を念頭に置くことも同様に重要であることは明らかです。

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