付加製造は、CO2排出量を削減する潜在的な解決策として原子力エネルギー分野に進出している。

この投稿は warrior bear によって 2023-12-29 22:18 に最後に編集されました

はじめに: 過去 5 年間で、積層造形技術の採用率は大幅に増加し、試作や主流の生産を含むエネルギー業界のさまざまな分野で応用され、プロセスの合理化と運用効率の向上につながっています。さらに重要なのは、核分裂エネルギーやさらに高度な核融合エネルギーを含む積層造形技術の発展により、原子力エネルギー分野が将来的に恩恵を受けることが期待されていることです。
原子力エネルギー業界では、複雑な部品やプロトタイプの製造において積層造形が重要な役割を果たしています。複雑な設計を迅速に製造できるため、従来の製造方法に伴うリードタイムとコストが削減されます。この技術により、原子力発電所の安全性と信頼性を確保するために不可欠な、耐久性と精度の高い特殊部品の製造が可能になります。さらに、3D プリントは、放射性環境でのメンテナンスや修理のための耐放射線性材料やツールの製造にも使用できます。

現在の核分裂炉の付加製造<br /> 民生用原子力産業は、エネルギー関連の付加製造の応用において最も注目されている分野の 1 つです。シーメンスがスロベニアのクルシュコ原子力発電所に 3D プリント部品 (直径 108 mm の消防ポンプ用金属インペラ) を設置することに成功して以来、原子力発電所における積層造形の新たな用途が開発されています。セラミックや耐火金属などの適切な材料を使用すれば、使用できなくなった旧式の部品に積層造形法を適用できるため、古い発電所の稼働を継続できます。一方、バインダージェット法や押し出し法、金属粉末ベッド焼結法による新たな付加製造材料が放射線遮蔽用として適格化されつつあります。
△この写真は、スロベニアのクルシュコ原子力発電所に設置され稼働している、元の状態の羽根車、シーメンスの 3D プリントされたプロトタイプ、および 3D プリントされた代替品を示しています。 AM プロジェクトのコード名は「ペルン」です。これは、冶金学と密接な関係があるスラヴ神話の雷神にちなんで付けられています。原子炉の 3D プリント交換部品およびスペアパーツの使用に関する最先端の研究は、米国エネルギー省 (DOE) が 200 万ドルの AM 研究プロジェクトを主導するために GE 日立ニュークリアエナジー (GEH) を選定した 2016 年に始まりました。このプロジェクトは、先進的な原子力技術への8000万ドルを超える投資の一環である。 GEHは原子力発電所の交換部品の試作品を製造することでこのプロジェクトを主導している。サンプルはサウスカロライナ州グリーンビルにあるGEPowerの先進製造施設で金属3Dプリントされ、その後アイダホ国立研究所（INL）に送られました。 INL の先進試験炉で照射されたサンプルはテストされ、未照射物質の GEH の分析結果と比較されます。 GEH はこれらの結果を利用して、燃料、サービス、新しいプラント用途向けの 3D プリント部品の導入をサポートします。
△ 3Dプリントされた燃料集合体ラックと実験室は、アラバマ州アセンズにあるテネシー川流域開発公社ブラウンズフェリー原子力発電所2号機に設置され、通常運用されています。
機能部品の最近の例としては、2021年に米国エネルギー省オークリッジ国立研究所の製造実証施設で製造された、この種としては初の3Dプリント燃料集合体ブラケット4つが挙げられる。この装置はアラバマ州アセンズにあるテネシー川流域開発公社ブラウンズフェリー原子力発電所2号機に設置され、現在は定常運転中である。
これらの部品は、TVA、フラマトム、および米国エネルギー省原子力局が資金提供する転換チャレンジ炉（TCR）プログラム（オークリッジ国立研究所を拠点とする）と共同で開発された。原子炉のチャネルファスナーは非対称ではあるものの、形状がシンプルで、積層造形技術の最初の実証には最適でした。 TCR プログラムは現在、高度な製造、人工知能、統合センシング、部品品質認証のためのデジタルプラットフォームの導入など、関連技術のさらなる改良に重点を置いています。
現在、付加製造ビジネスは拡大し始めています。 2022年、ウェスティングハウス・エレクトリック・カンパニーは、エクセロン社のバイロン1原子力発電所の春季燃料交換停止期間中に、商用原子炉に3Dプリント部品を設置した。ウェスティングハウスは、高度な製造サービスの一環として、粉末床溶融金属積層造形法と熱線レーザー溶接 (HWLW) 技術を採用しています。ウェスティングハウスの添加剤技術は、世界中で稼働中の 430 基の原子炉で使用されています。
△ウェスティングハウス・エレクトリック社は、商用原子炉に3Dプリント部品を設置した。画像: ウェスティングハウス・エレクトリック・カンパニー。
また、2022年にウェスティングハウスは、北欧の沸騰水型原子炉（BWR）ユニット2基（フィンランドのオルキルオトユニット2とスウェーデンのオスカーシャムユニット3）に、StrongHold AM 3Dプリント核燃料デブリフィルターを設置し、プラントの運用信頼性をさらに向上させました。ウェスティングハウスは、発電所運営会社のTeollisuuden Voima Oyj (TVO)およびOKGと緊密に協力して、StrongHold AMフィルターを開発しました。 StrongHold AM フィルターは、完全に 3D 印刷技術で製造されており、破片が燃料集合体に入り込んで被覆を損傷し、予期せぬコストのかかるダウンタイムにつながる可能性を防ぐための強化された捕捉機能を備えています。
原子力産業における 3D プリントのさらなる応用を特定するための研究開発作業も進行中です。米国エネルギー省原子力局が支援するプロジェクトの 1 つが、前述の変換チャレンジ原子炉 (TCR) 実証プロジェクトです。このプログラムでは、3Dプリント原子炉の導入の一環として、付加製造による原子力エネルギー技術を迅速に導入できるよう、業界に技術を移転するためのデジタルプラットフォームを構築します。 ORNL は TCR プログラムを通じて、憂慮すべき傾向に対処しようとしている。原子力発電所は米国の電力の約 20% を供給しているが、現在のライセンスの有効期限に基づくと、米国の原子炉の半分以上が 20 年以内に廃止されることになる。
△ StrongHold AM は、ウェスティングハウス・エレクトリックが設置した原子力発電所向けに、初の 3D プリント燃料デブリフィルターを開発しました。
フランスでも同様の状況が起きており、2022年8月中旬時点で56基の原子炉のうち半数以上が停止している。この原因は、安全注入システムの安全関連の損傷と計画停止です。 2021年、ステンレス鋼の安全システムパイプラインに深刻な応力腐食割れが発見され、検査と修理のために生産を停止する必要がありました。これらの部品はすべて交換する必要があり、特に元の金型が入手できなくなった場合には、積層造形を活用する必要があります。
これを念頭に、フランスの原子力サービスおよび部品サプライヤーであるFramatomeは、スウェーデンのVattenfallが運営するフォルスマルク原子力発電所に、初の3Dプリントステンレス鋼製燃料アセンブリの設置を完了しました。 KSB SE & Co. KgaA との協力により、ATRIUM 11 上部接続プレートグリッドが設計、製造され、複数年にわたる照射プログラムのために Forsmark ユニット 3 に設置されました。
ATRIUM 11 燃料集合体の上部にあるグリッドは、非構造的な荷重支持部品であり、燃料棒を固定し、大きな破片が上部から燃料集合体に入るのを防ぎます。上部接続プレートグリッドは簡単に検査でき、必要に応じてサンプルを取得して、この新しい製造プロセスが原子炉での使用に適しているかどうかを検証できます。従来の製造プロセスでは、上部パッドグリッドはスタンプされたコームシートを使用してレーザー溶接されるため、追加の製造手順とオペレーターの監視が必要になります。付加製造により製造プロセスが簡素化され、設計オプションが増えるため、機能性が強化され、パフォーマンスが向上します。
△フラマトムの3DプリントATRIUM 11トップ接続プレートグリッドフラマトムは、ステンレス鋼とニッケルベースの合金燃料アセンブリに重点を置いて、2015年に核燃料への付加製造の導入を開始しました。 2021年、フラマトム社がオークリッジ国立研究所（ORNL）と共同で製造した初の3Dプリントステンレス鋼製燃料集合体チャネルファスナーが、米国の商用沸騰水型原子炉原子力発電所に搭載されました。フランス、ドイツ、米国のFramatome燃料専門家は、世界中の顧客と緊密に協力してこの技術を開発しました。
次世代核分裂のための付加製造<br /> 原子力エネルギー産業は現在、特に小型モジュール炉（SMR）の面で過去とは大きく異なる加速した開発ペースを経験しています。 SMR は、現在の技術と第 4 世代 (高速中性子) 技術を含む原子炉の縮小版です。
米国では、10年以内に実用化できる可能性のあるマイクロリアクターの設計が数多く開発されています。トラックで輸送できるほど小型のこれらの小型原子炉は、遠隔地の商業地や住宅地から軍事基地まで、さまざまな分野のエネルギー問題の解決に役立つ可能性があります。
マイクロリアクターは、燃料の形態や冷却剤によって定義されるものではありません。代わりに、3 つの主な特徴があります。まず、付加製造が重要な役割を果たすことができる理由は、それらが工場で製造されることです。マイクロリアクターのすべてのコンポーネントは工場で完全に組み立てられ、現場に出荷されます。これにより、大規模な建設に伴う困難が解消され、資本コストが削減され、原子炉を迅速に稼働させることができます。
もう一つの特徴は、輸送可能であることです。これにより、サプライヤーは原子炉全体をトラック、船、飛行機、または列車で簡単に輸送できるようになります。これらは自己調節機能も備えており、シンプルで応答性の高い設計コンセプトにより、マイクロリアクターが自己調節できるようになります。多数の専門オペレーターを必要とせず、過熱や原子炉のメルトダウンの可能性を防ぐために受動的な安全システムを活用する。
△マイクロリアクターは遠隔地への輸送も容易です。
マイクロリアクターの設計はさまざまですが、SMR は最大 300 メガワット (MW) の電力を生産するものと定義され、超小型モジュールリアクター (vSMR) またはマイクロリアクターはモジュールあたり最大 20 MW の電力を生産します。これらは、商業用途、または地域暖房、淡水化、水素燃料製造などの非電気用途向けに、クリーンかつ信頼性の高い電力を生成するために使用できます。
マイクロリアクターは、マイクログリッド内で再生可能エネルギーとシームレスに統合できるだけでなく、緊急対応にも使用でき、自然災害に見舞われた地域の電力復旧に役立ちます。また、炉心の寿命も長く、燃料補給なしで最大 10 年間稼働できます。ほとんどの設計ではウラン235の濃縮度が高い燃料が必要ですが、これは現在の原子炉では使用されていません。ただし、一部のシステムでは、高温減速材の使用がメリットとなり、システムサイズを小さく保ちながら燃料濃縮の要件を削減できる可能性があります。
米国エネルギー省は、ガス、液体金属、溶融塩、ヒートパイプ冷却コンセプトなど、さまざまな先進的な原子炉設計をサポートしています。米国製マイクロリアクターの開発者は現在、ガス冷却とヒートパイプ冷却の設計に注力しており、早ければ2020年代半ばにも利用可能になる可能性がある。
シアトルに本社を置く米国100%出資企業であるUltra Safe Nuclear Corporation (USNC) は、マイクロリアクターの導入における世界的リーダーであり、原子力発電技術の垂直統合企業です。同社は、安全で商業的に競争力があり、クリーンで信頼性の高い原子力エネルギーを世界の電力市場に提供することに尽力しています。
USNC は、オンタリオ発電およびイリノイ大学と共同で、カナダ原子力研究所で MMR エネルギーシステムを実証しており、米国、カナダ、ヨーロッパでその技術をさらに展開するための新しいプロジェクトを開始しました。当社は、燃料、材料、設計における技術革新を通じて、厳格な固有安全原則を遵守しています。
10か国以上が協力して、電力需要が増大する世界に炭素排出ゼロのエネルギーを供給するために不可欠とみられる次世代の原子力エネルギーの概念である第4世代原子力エネルギーの開発に向けた世界的競争を行っている。
△ USNC の革新的な完全セラミックマイクロカプセル化 (FCM) 燃料は、放射性物質を常に安全に密封して封じ込めることができるバインダージェットシリコンカーバイドマトリックス設計によって実現されています。
太陽光や風力などの再生可能エネルギー源が成長を続ける一方で、原子力は環境に悪影響を与えることなく最低限の電力需要を満たすために24時間365日連続稼働できる、独立した信頼性の高いベースロードエネルギー源であるという常識がエネルギー業界に定着しています。このような環境において、シアトルを拠点とする USNC は、新しい 3D プリント手法を活用して、独自の素材で最適なパフォーマンスを提供するまったく新しいデザインを実現しています。
USNC のアプローチは、完全にセラミックマイクロカプセル化された (FCM) 燃料の使用に重点を置いています。同社は燃料を生産するために、Desktop Metal 社の X シリーズバインダージェッティング 3D プリンターを活用しています。これらのプリンターは、耐熱セラミック粒子を 3D プリントすることができ、標準的なタイプの核燃料粒子をコーティングすることができます。
バインダージェッティングの応用は、USNC の燃料製造プロセスの重要な要素であり、組織の革新にとって不可欠です。このアプローチは勢いを増しており、現在、オランダ原子力研究コンサルタントグループ (NRG Petten) が USNC 向けに FCM 燃料のテストを行っています。さらに、USNC は合弁会社 Global FirstPower を通じて、カナダ原子力公社が所有し、カナダ原子力研究所が管理する Chalk River Laboratories に初の MMR を導入する取り組みを進めています。現在、カナダ原子力安全委員会 (CSNC) から敷地準備ライセンスを取得するための取り組みが進行中です。
△ USNC は、米国の民間科学および地球近傍月探査能力の向上を目的とした核熱推進 (NTP) システムの開発と成熟化を目的として、NASA 核推進契約に基づき 500 万ドルの契約を獲得しました。この契約により、NTP は書類段階からハードウェア段階に移行し、USNC の先進的な原子炉設計と製造における優れた能力が実証されます。
Ultra Safe Nuclear は、業界で TRISO として知られる、より小さなサイズのコーティングされた燃料粒子を製造するために 1960 年代に開発された技術に基づいています。 TRISO は、第 4 世代原子炉の開発で再び注目を集めている三構造等方性粒子燃料です。これらの燃料ミクロスフェアは通常、柔らかいグラファイトマトリックス内に配置されます。しかし、このマトリックスは構造的な強度が不足しており、放射性核種の放出を効果的に防ぐことができません。
この問題に対処するため、USNC はグラファイトマトリックスをシリコンカーバイド (SiC) と呼ばれる耐火セラミック材料に置き換えました。 SiC は、優れた環境安定性で知られる技術セラミック材料であり、航空宇宙、装甲、プラズマシールド、高温用途でよく使用されます。原子炉内の環境は極めて過酷ですが、炭化ケイ素は従来のグラファイト基板のように過度に収縮したり膨張したりしません。また、酸化や腐食に対する耐性も高く、原子炉炉心の過酷な環境下でも非常に安定しています。
しかし、SiC を複雑な部品に製造または成形することは常に困難でした。業界では長年にわたりシリコンカーバイドの利用に関心が寄せられてきましたが、高純度で結晶性の原子力グレードのシリコンカーバイドを原子力用途に必要な形状に変換するための、実現可能でコスト効率の高い製造プロセスは存在していませんでした。つまり、3D プリンターが登場するまでは。

USNC は 3D プリント技術を採用することで、核燃料粒子の外殻として機能する複雑な形状の SiC 燃料フォームを作成できます。炭化ケイ素は密度を高めるためにシリコンや他のマトリックスで浸透されることが多いですが、これは原子力環境では実現可能ではありません。材料の均一性と均質性を維持するために、USNC はバインダージェッティングと化学蒸気浸透を組み合わせます。このプロセスでは、多孔質の SiC 構造に高純度の結晶性シリコンカーバイドを充填し、SiC 材料を焼結したり、圧力を加えたり、第 2 相を導入したりすることなく、非常に複雑なニアネット形状を実現します。
USNC のバインダージェット 3D プリントを使用した製造戦略では、生産効率に加えて、3D プリントによって得られる設計の自由度を活用して原子炉のパフォーマンスを最適化することもできます。これまで、チームはハードツールを使用して大量生産できる単一の設計に限定されていました。ツールは高価で変更サイクルが長いため、設計者は汎用的でありながら効率的な設計を作成することを目指します。しかし、3D プリントを使用して独自のデザインを大量に作成する能力により、USNC は安全で責任ある原子力エネルギーを提供するという使命の品質保証を強化できます。

付加製造は、CO2排出量を削減する潜在的な解決策として原子力エネルギー分野に進出している。

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