先進原子力エネルギーにおける3Dプリント技術の応用展望

出典：四川付加製造技術協会

近年、付加製造はエネルギー分野でますます重要な役割を果たしており、現在では原子力分野でも広く使用されています。原子力産業への注目が高まる中、世界原子力協会の統計によると、2019年には原子力産業は33か国に438基の稼働可能な原子炉を有し、世界で2番目に大きな低炭素電力源となっています。現在、原子力部門では、付加製造を含む新しい技術を積極的に模索しています。原子力エネルギー分野では、新材料や新技術に対する要求がより厳しく、より慎重になっています。近年、積層造形技術の成熟度が増すにつれ、先進原子力エネルギー分野における積層造形技術の研究と応用がますます広範になってきています。
過去60年間、原子力産業従事者たちは懸命に努力し、開拓と革新を行い、我が国の原子力産業をゼロから大きく、小規模から大規模へと発展させ、目覚ましい成果を上げ、国家の安全保障と経済発展に多大な貢献を果たしてきました。原子力産業はハイテク戦略産業であり、国家安全保障の要です。我々は安全かつ革新的な発展を堅持し、原子力の平和利用を堅持し、原子力産業の中核競争力を全面的に強化し、我が国の原子力産業の新たな輝かしい一章を記さなければなりません。中国共産党第20回全国代表大会では、先進的な原子力技術の開発と応用に力を入れ、安全性、独立性、制御性を確保することが提案されました。

今回インタビューを受けた専門家は、四川大学原子核科学技術研究所の唐軍教授です。

専門家の紹介

唐軍教授四川付加製造技術協会副会長

博士、博士課程の指導教員、四川大学原子核科学技術研究所および物理学学院の教授、教育部の新世紀優秀人材、四川省の学術・技術リーダー、四川省付加製造技術協会の副会長。科学技術部の国際熱核融合炉（ITER）人材プロジェクト、国家自然科学基金、教育部の新世紀優秀人材、四川省重点研究開発プロジェクトなど、さまざまな基金プロジェクトを担当しており、主に核物質、熱電材料、デバイスの積層造形に関する研究に従事しています。

インタビュー日時：2023年3月10日インタビューテーマ：先進原子力エネルギーにおける3Dプリント技術の応用展望インタビュー場所：四川大学原子力科学技術研究所

インタビュー内容
こんにちは、唐軍教授。今回のAdditive Interviewでは、わが国の原子力産業の関連分野における積層造形技術について、先生の見解とご提案を伺いたいと思います。よろしくお願いいたします。

唐軍教授：わかりました。航空宇宙、航空、バイオメディカル、ハイエンド製造業における積層造形技術の応用は長い蓄積を経ており、すでに良好で成熟した技術実証があります。海外の状況と比較すると、原子力産業における積層造形技術の開始時期はほぼ同じであり、これは我が国にとっても原子力分野の構築と基礎応用研究の発展に貴重な時間をもたらしました。まずは、以下の海外での応用と私たちが実施した部分を見てみましょう。そうすれば、私たちが現在どの開発段階にいるのかがわかります。

ORNLがマイクロリアクターを開発： 2019年、オークリッジ国立研究所（ORNL）が主導して、変革チャレンジ原子炉実証プログラム（TCR）の建設計画を開始しました。 TCR は、3D プリントを使用して、高表面積とスパイラルガイドを備えた二重壁クラッドと冷却チャネルを備えた燃料要素を製造しています。

フランスの原子力企業フラマトムによる3Dプリント：フランスの多国籍企業フラマトムは、3Dレーザープリントされたステンレス鋼製燃料アセンブリを開発したと発表した。この部品は燃料棒を保持する上部のグリッドであり、金属管に積み重ねられた円筒形の焼結二酸化ウランペレットが含まれています。また、大きな破片が燃料集合体に入るのを防ぐためにも使用されます。

パデュー大学の 3D プリントマイクロリアクター:米国インディアナ州のパデュー大学は、3D プリントマイクロリアクターの開発に参加するために、米国エネルギー省から 80 万ドルの資金提供を受けました。パデュー大学のチームは、付加製造された原子炉部品の品質を確保するための AI 技術の開発を任務としていました。付加製造技術と人工知能技術を組み合わせることで、より豊富なデータとコスト効率の高い原子力部品認定プロセスが可能になります。

BWX Technologies と ORNL のコラボレーション: BWX Technologies とオークリッジ国立研究所 (ORNL) は、原子力コンポーネントの製造に金属 3D プリント技術を活用した研究を行っています。原子炉に動力を供給するために、ニッケルと高融点金属をベースにした高温合金を使用した部品の製造を目指している。 BWX Technologies は、電子ビーム溶融システムを使用して部品を 3D プリントします。これにより、部品の温度能力が最大 1,482°C まで上昇し、工場全体の効率が約 50% 向上するとともに、部品の試作段階もスピードアップします。

2018年初頭、大亜湾原子力発電所では大型鋳鍛造品の輸入を代替するため、初めて3Dプリント技術が採用されました。冷蔵庫のエンドカバーの製造工程を例にとると、従来の鋳造工程は開発サイクルが長く、型開きコストが高く、製品の機械的強度と衝撃靭性が劣っています。また、製造サイクルが長く、材料の利用率も低いという問題もあります。電気融合積層造形技術は、わずか 1 週間の製造サイクルで、さまざまな複雑な構造の統合ネット成形を実現できます。材料の利用率が高く、製品の完全性も高く、あらゆる面での性能は鍛造品に匹敵し、総合的な性能は鋳造品をはるかに上回ります。

2023年3月、中国原子力研究所は主導的に四川大学、東方電力研究所と共同で四川省原子力付加製造重点実験室を設立した。中国原子力研究所は主導的に中国付加製造産業連盟原子力ワーキンググループの設立を申請し、原子力分野における付加製造の開発と応用を積極的に推進した。

3D プリント技術は複雑な製品形状を実現し、より特殊な材料を製造できるため、原子力分野におけるさまざまな種類の 3D プリント技術の研究開発は、次世代の原子力エネルギーの開発にとってますます重要になっています。国内外で、原子燃料集合体、使用済み燃料貯蔵ラック、原子炉セラミック集合体、原子炉集合体、エジェクタープラグ装置などを対象に、3Dプリント技術の応用研究が数多く行われています。先進原子力分野における積層造形技術の開発と応用を推進するためには、印刷装置、ソフトウェア制御、3Dシミュレーション、構造最適化、材料開発、プロセス制御、アプリケーション評価などのさまざまな要素が連携して機能する必要があります。

四川省付加製造技術協会は、橋渡し役としての役割を十分に果たし、「原子力省」としての四川省の先行者利益を十分に活用し、原子力分野における付加製造技術の生産、教育、研究の連携を促進し、四川省の「原子力省」化に向けた進歩を促進するためにより大きな貢献をすることが推奨されます。

四川大学核科学技術研究所四川大学核科学技術研究所
四川大学原子核科学技術研究所四川大学原子核科学技術研究所（別名成都720研究所）は、1972年に国家計画委員会が承認した「720プロジェクト」を前身とし、1980年に教育部と旧第二機械工業部の承認を受け、主に原子核科学技術の研究と高水準の人材育成を行う専任研究所です。研究所の初代名誉所長は中国の著名な科学者である王干昌氏であり、現在の名誉所長は中国国家自然科学基金委員会の元副所長である王乃炎院士である。

四川大学原子核科学技術研究所は、科学研究、技術開発、学科建設、人材育成において顕著な成果を上げており、1)放射線物理学と医学物理学、2)固体中のクラスターと原子衝突物理学、3)材料の放射線改質技術、4)同位体と放射線バイオテクノロジー、5)核監視と自動制御技術という5つの特色ある研究方向を形成しています。これらの研究分野では、近年、荷電粒子輸送理論と核融合炉における粒子‐表面相互作用への応用、加速器ベースの原子衝突およびクラスター物理学、超短・超高強度レーザー‐クラスター相互作用研究、電子‐原子衝突の内殻電離断面積に関する実験的研究、水素貯蔵材料中のヘリウム原子クラスターの挙動に関する実験的および理論的研究、放射線治療に関わる最適化問題の研究、独立した知的財産権を持つ3次元強度変調放射線治療計画システムおよびマルチリーフグレーティングの開発、加速器放射性同位元素の開発と製造、核種の標的治療とイメージング研究、核物質/熱電変換デバイスの積層造形研究など、多くの研究と応用の成果が得られています。

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