原子力発電における3Dプリントの応用と開発

はじめに：近年、付加製造は石油・ガスなどの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利用されています。近年、原子力産業はますます注目を集めています。世界原子力協会のデータによると、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、世界第2位の低炭素電力源となっています。また、米国エネルギー情報局（EIA）のデータによると、 2020年の世界全体の原子力発電量は2兆5910億kWhで、世界の総発電量の10.1％を占めた。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。原子力分野における積層造形の応用開発をより深く理解するために、Antarctic Bear は原子力発電所における 3D プリントの主な用途をいくつか整理しました。

● ORNL の 3D プリント原子炉 原子力エネルギーと 3D プリントの分野で最も活発に活動している機関の 1 つは、間違いなく米国のオークリッジ国立研究所 (ORNL) です。このチームは、付加製造が原子力部門にどのような影響を与えるかを長年研究してきました。例えば、2020年5月には、DEDマシンを使用して金属で3Dプリントされた最初の原子炉コアプロトタイプを実演しました。このプロジェクトは、非常に短期間でより安価で効率的なエネルギーシステムを実現することを目指す「変革チャレンジ原子炉実証（TCR）」プログラムの一部です。原子炉コアは設計段階から後処理までわずか3か月かかり、印刷プロセスでは1,400°Cに達する温度でわずか40時間の作業しか必要としませんでした。

●ウルトラセーフニュークリア社とORNLがマイクロリアクターの開発で協力
Ultra Safe Nuclear Corporation は、安全でクリーン、かつ商業的に競争力のある原子力ソリューションを開発、統合するアメリカの原子力会社です。同社は2022年にオークリッジ国立研究所と協力し、バインダージェッティング技術を使用してマイクロモジュラー原子炉を製造することで、同研究所の付加製造能力を活用し、原子力発電を発展させる計画を発表した。付加製造技術を選択することで、チームはシリコンカーバイドに関連する課題を克服し、コストを節約し、従来の方法よりも複雑な形状を設計できるようになります。

●チェコエネルギーは3Dプリントを使用してサプライチェーンを最適化
中央および東ヨーロッパ最大の公営企業であるČEZの原子力部門は、チェコの原子力企業Škoda JSと提携し、積層造形技術を選択して自社のサプライチェーンの問題を最適化し、ダウンタイムを削減しました。わずか1年で、この技術を使用して4,159個のプラスチック部品と金属部品が製造されました。同社は、新型コロナウイルス感染症の流行とウクライナ戦争の期間中、付加製造技術を活用してサプライチェーンのリスクを大幅に軽減した。大型プリンターは最大600kgの金属部品を製造し、不良部品を短時間で交換することができます。 ČEZの取締役であり原子力部門の責任者であるボフダン・ズロネク氏は、より単純な形状の部品は従来の方法で製造されるが、複雑な部品は3Dプリントを使用して簡単に製造できると説明した。

△金属3Dプリントは、原子力発電会社にとって常に好まれる方法でした（画像提供：Markforged）

●アラバマ原子炉の安全上重要な部品 EIAによれば、現在米国では93基の原子力発電所が稼働している。その一つがアラバマ州アセンズにあるブラウンズフェリー原子力発電所で、国内で2番目に大きな原子力発電所です。プラントユニット2では、TVA、フラマトム、DOE原子力局がオークリッジ国立研究所（ORNL）の変革チャレンジ炉（TCR）プログラムに資金を提供し、2021年に原子炉用の3Dプリント燃料集合体ラック4台を設置する予定だ。このプロジェクトは、米国初の試みであり、原子炉などの規制の厳しい環境でも、認定された 3D プリント部品を配備できることを実証している点で興味深いものです。安全ファスナーは、レーザー粉末床溶融結合法と、鉄、ニッケル、クロム、モリブデンからなる金属粉末合金である TruForm 316 (Fe-271) を使用して製造される、安全性が極めて重要な部品です。

●スロベニアのシーメンス：クルシュコ工場 原子力発電所で初めて3Dプリントされ稼働するコンポーネントは、シーメンス社によって製造されました。これは、スロベニアのクルシュコ原子力発電所で連続稼働している消防ポンプ用にシーメンスが設計し、積層造形した直径 108 ミリメートルの金属インペラです。オリジナルのインペラは工場が開設された 1981 年以来稼働しており、元の製造業者はもはや廃業しているため、積層造形の使用は不可欠でした。その後、スロベニアのシーメンスチームは部品をリバースエンジニアリングし、「デジタルツイン」を作成して、金属積層造形法を使用して部品を再現しました。このプロジェクトは、AM 業界にとって大きな前進となるもので、3D プリントされた部品が安全に動作し、最も複雑で要求の厳しい産業の 1 つである原子力に必要なすべてのテストに合格することが初めて実証されました。

△画像提供：シーメンス

●ノースダコタ州（ノースダコタ大学）が原子炉を開発 ノースダコタ大学の研究チームは、鉄筋補強を施した3Dプリント原子炉を開発するプロジェクトを立ち上げた。部品を作るために、機械工学教授のロイ・ソウガタ氏と彼のチームは、建設プロセスの主な原材料となる窒素で強化された金属合金であるオーステナイト鋼を使用する予定だ。現時点では、研究開発チームは、主にこれらの 3D プリントされたコンポーネントが従来の方法で設計されたものよりも効率的かどうかを確認するために、使用されている 3D プリンターに関する情報を提供していません。部品の設計はノースダコタ大学で行われ、さらなる分析はオークリッジ国立研究所 (ORNL) で行われる予定です。さらに、コンポーネントのテストでは、その摩擦特性に重点が置かれます。

△主材料としてオーステナイト鋼を使用（画像提供：K.ナテサン博士）

●ウェスティングハウス・エレクトリックが3Dプリントで業界初を実現
3D プリンティングは機能部品の製造において重要な役割を果たします。 2020年、ウェスティングハウスは自社の原子炉の一つに3Dプリントされたエジェクターピン差し込み装置を設置した。当時、これは業界初のことでした。同社はその後も積層造形に注力し続け、2年後にはフィンランドとスウェーデンの2基の沸騰水型原子炉（BWR）にそれぞれろ過捕捉機能を強化した3Dプリントのデブリフィルターを設置して新たな境地を切り開き、同社の積層造形の採用における一歩前進を示した。

△写真提供：ウェスティングハウスエレクトリック

●フランスの原子力企業Framatome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プリントされたステンレス鋼燃料アセンブリを開発したと発表した。この製品は、スウェーデンのフォルスマルクにある原子力発電所、具体的にはヴァッテンフォールで生産されています。。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。これを製造するにあたり、フラマトムは3Dレーザー印刷技術を使用したが、どのタイプを使用するかは明らかにしなかった。

△写真提供：Framatome

●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。具体的には、パーデューのソリューションは強化学習を適用します。強化学習では、高度な機械学習戦略を使用して、印刷速度や溶融温度などの最適な AM プロセスパラメータの選択を微調整し、AI モデルをトレーニングして意思決定プロセスをガイドし、より効率的かつ迅速にします。

△3Dプリントされた原子炉の部品。 (画像提供: ORNL)

● BWXテクノロジーズと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、原子力部品の製造に金属 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 は電子ビーム溶解システムを使用して部品を 3D プリントします。同社によれば、これらの材料の選択により、研究者は部品の温度能力を最大1,482°Cまで高め、プラント全体の効率を約50%向上させることができたという。付加製造は、特に部品のメンテナンスや修理に関してコストを削減するほか、コンポーネントの試作段階をスピードアップすることもできます。

△写真提供：オークリッジ国立研究所

原子力発電における3Dプリントの応用と開発

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