国内原子力産業における3Dプリント技術の応用一覧

原子力産業において、原子力発電所の原子炉圧力容器、蒸発炉、鍛造主管などの設備や一部の部品やコンポーネントは、技術要件が高く、生産が困難です。従来の製造プロセスでは、生産サイクルが長い、投資額が大きい、初回製品合格率が低いなどの問題があります。

3D プリント技術は、少量の製品の迅速な製造や複雑な部品の製造に大きな利点があります。原子力産業における 3D プリント技術の応用は、これらの問題の解決に役立つでしょうか? 3D Science Valleyは、今回の号で、原子力発電所のバルブやパイプラインの放射線遮蔽材、原子炉圧力容器、核燃料要素の3つの分野における中国の原子力産業企業の3Dプリントの応用をまとめました。これらの応用を通じて、原子力産業の部品の製造において3Dプリント技術のどの分野を探求する価値があるかを一緒に理解しましょう。 Antarctic Bear は、複雑なタスクは 3D プリントに任せましょうと言います。

核放射線遮蔽材料の設計と3Dプリント<br /> 原子力システムではさまざまな放射線が発生し、環境を汚染するだけでなく、人体にも害を及ぼします。そのため、環境汚染や人体への被害を軽減するために、原子力発電所内の一部のバルブやパイプラインで放射線を遮蔽する遮蔽材が必要になります。

シールド材の製造には、主に成形押し出し法または直接押し出し法が採用されています。しかし、遮蔽材の均一性、材質、密度が悪く、気孔が発生しやすいなどの問題がありました。遮蔽材の設計では、遮蔽対象物の形状に合わせてカスタマイズされていないため、遮蔽材が遮蔽対象物にフィットせず、遮蔽効果が低いという問題があった。製造前の遮蔽設計では現地調査が必要となりますが、原子力発電所は広範囲に分散しており、各原子力発電所内で遮蔽が必要な箇所も多く、遮蔽設計には大きな困難が伴います。 CGN 研究所は、3D スキャン、3D プリント技術、クラウドサーバーを通じて、このようなシールド材料の設計と製造における画期的なソリューションを模索しています。

まず、3次元スキャン装置を使用して遮蔽対象箇所を3次元スキャンし、スキャンデータを取得し、そのスキャンデータをクラウドプラットフォームサーバーに送信します。クラウドプラットフォームサーバーは、Geomagic Studio、CopyCAD、Imageware などのリバースソフトウェアを使用してスキャンデータを前処理し、CAD モデルファイルを生成します。原子力ユーザーは、許可されたユーザー端末を通じてクラウドプラットフォームサーバーにアクセスし、CADモデルファイルをダウンロードし、寸法精度、粗さ、印刷材料、スライス方法などに基づいてCADモデルファイルと設計図面をチェックし、改善します。次に、3D 図面はクラウドプラットフォームに接続された 3D プリンターに送信され、印刷されます。

設計に3Dスキャンとクラウドプラットフォームを使用し、3Dプリンターで遮蔽材を小ロットでカスタマイズ生産することで、原子力遮蔽設計の信頼性、柔軟性、安全性、経済性が向上し、研究開発プロセスが大幅に短縮され、コストが削減されました。遮蔽材は必要な位置に応じてカスタマイズされるため、設計された遮蔽材は必要な位置によりよく適合し、遮蔽材は良好な放射線遮蔽機能を発揮することができます。

この放射線遮蔽材の設計・製造モデルは、稼働中の原子力発電所や建設中の原子力発電所すべてに適用でき、さまざまな地域の原子力発電所のニーズに応えます。

3Dプリントされた一体型原子炉圧力容器
2015年10月、中国原子力研究開発研究所とSouthern Additive Technology Co., Ltd.は共同でACP100原子炉圧力容器積層造形（3Dプリント）プロジェクトを立ち上げました。 2016年12月、本プロジェクトの研究成果である3Dプリント原子炉圧力容器試験片が、国家エネルギー分野関連専門家の技術評価に合格しました。

中国原子力研究開発研究所は、中国で唯一、原子炉工学の研究、設計、試験、運用、小ロット生産を一体化した大規模総合科学研究拠点です。原子力研究開発に積極的に取り組んでおり、自主的な知的財産権を持つ国産原子力発電所ブランドCP600/CP1000/CPR1000を育成してきました。新世代加圧水型原子炉原子力発電所ACP100/ACP600/ACP1000およびCFシリーズ燃料要素の研究開発、超臨界水冷却炉技術の予備研究などの科学研究プロジェクトを担当しています。

サザン・アディティブ・テクノロジー株式会社は、直径最大5.6メートル、長さ最大9メートル、重量最大300トンの厚肉重金属部品を印刷できる大型電気融合3Dプリンター装置を独自に開発しました。この装置は金属線と補助材料を印刷材料として使用し、電気溶解冶金環境で高エネルギー熱源を使用して生線を溶かします。形成された部品の層状スライスデータに応じて、コンピューター制御を採用し、原材料の層ごとの急速冷却、凝固、蓄積を実現します。最終的に、超低炭素、超微細粒、均一な構造、包括的な機械的特性が得られます。原子炉圧力容器などの大型原子力金属部品を含む、従来の鍛造プロセスで形成された金属部品が得られます。

画像ソース: Southern Additive 3Dプリントの過程で、プロジェクトの双方は4回の材料テストと2回のプロセステストを実施し、材料の組成、性能、成形構造方法に対して正確な技術要件を与え、初期の材料テストプロセスにおける過剰な機械的強度の問題を解決し、核照射後の材料の脆化などの問題を効果的に回避するための基礎を築きました。最終的に、ACP100圧力容器の3Dプリントサンプルが正常に印刷されました。

原子炉圧力容器を製造する従来の製造工程では、10,000トンの大型鍛造設備を使用してセクションごとに製造し、それらを溶接する必要がありました。中国原子力研究開発研究所とSouthern Additiveは、大規模な電気融合3Dプリント技術を使用して、複雑な構造を持つ大型金属部品の一体成形を正確に実現し、原子力設備の高品質、高効率、低コストの製造への新たな道を切り開きました。技術評価の結果、この 3D プリントされたテストピースの製品性能は、鍛造製品の性能に匹敵するか、部分的に上回ることもあります。

中国核工業集団華北工場における核燃料要素の 3D プリント<br /> 核燃料要素の製造は、設計と加工を統合したハイエンドの精密製造であり、複雑な構造を持ち、完成までに複数のクロスオペレーションプロセスを必要とします。

中国核工業集団北方核燃料元素有限公司（プラント 202）は、選択的レーザー溶融 3D 印刷技術を使用して、CAP1400 自律燃料プロトタイプアセンブリの下部チューブシートを製造しました。

画像ソース: ファクトリー 202、西安ポリライト BLT-S300 で印刷。BLT-S300 は選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を使用して、金属粉末を層ごとに溶融することで、従来の機械加工では製造できない複雑な金属構造部品の製造プロセスを完了します。準備された成形製品は、良好な密度と高い寸法精度という特徴があります。同時に、金属3Dプリントの迅速な製造の技術的特徴により、製品開発サイクルを短縮し、設計および製造コストを削減し、核燃料要素の開発と準備が迅速かつ高性能に実現できます。

参照特許:
3次元スキャンと3Dプリントに基づく遮蔽材製造方法およびシステム
付加印刷を用いた圧力容器の設計および製造方法

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
解釈：3Dプリントが原子力産業に参入：わが国初の原子炉圧力容器3Dプリント試験片がリリース

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