ゼロカーボンエネルギーに向けて: Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) が 3D プリントを使用して FCM 燃料を生産する方法

2023年1月4日、アンタークティックベアは、オークリッジ国立研究所（ORNL）の元国家技術ディレクターで、現在はシアトルウルトラセーフニュークリアコーポレーション（USNC）のディレクターを務めるカート・テラーニ氏が、最近、報道機関とのインタビューで、ウルトラセーフニュークリアは核燃料と原子炉設計の「最前線」にあり、同社の完全セラミックマイクロカプセル化（FCM）核燃料の商業開発は、米国およびその他の地域で「ゼロカーボンエネルギー技術の分岐点」となるだろうと語ったことを知りました。

△Ultra Safe Nuclear Corporation（USNC）はデスクトップメタル3Dプリント技術を使用してFCM燃料を開発しています
バインダージェット3Dプリント技術<br /> 同社の野望を支えているのは、超安全原子力会社向けのFCM燃料の製造における重要なステップを促進するExOneのバインダージェッティング技術です。同社は2つの方向性について積極的に研究を進めている。 1 つ目は、重力が存在し、熱い流体が上部に上昇し、冷たい流体が下部に流れる限り、本質的に安全な原子炉の設計です。 2つ目は、放射性核種の放出に対して多重の障壁を提供し、原子力の安全性を確保するFCM燃料形態です。

UltraSafe Nuclear は、業界標準の TRISO 燃料を採用しています。この燃料は、層状のセラミックコーティング内に核分裂の放射性副産物を含み、完全に高密度の炭化物マトリックスに包まれています。「例え話で言えば、核反応炉の炉心内部に放射線を閉じ込めることが目的です」とテラーニ氏は説明した。「従来の設計では、大きな容器やコンクリート製の大きなドームを造りますが、当社は早い段階でその負担を燃料自体に移すべきだと決め、直径約1ミリの小さな燃料粒子を作り、その周りにさまざまなセラミックコーティングを施しました。」

歴史的には、小さな圧力容器を固定するために燃料粒子を炭素接着剤の中に入れることもあったが、放射性核種の放出という点では大きな利点はないと考えられていた。したがって、この放出を軽減することが USNC の目標であり、それを達成するために、同社は燃料粒子を機械的、熱的、環境的に安定したシリコンカーバイドケース内に配置しようとしています。これまで、高純度シリコンカーバイドの製造は課題となっていましたが、3DプリントはUSNCの変革を促進するための重要な技術とみなされています。

バインダージェット 3D プリントは、室温で材料を処理できるため、ここでの解決策となります。シリコンカーバイドは高温になると解離し始めるため、電子ビームやレーザービームを使用するプロセスは不可能になります。

△ USNC施設のエンジニア
実現技術
「バインダージェッティング法を使用して、極めて複雑な構造のシリコンカーバイドを形成します」とテラーニ氏は続けます。「この技術のユニークな点は、完全な 3D 自由度が得られることです。3D プリントでは、特定のスペース内で部品を作ることができますが、バインダージェッティング法では、あらゆる形状を実現できます。この多孔質シリコンカーバイドを化学気相浸透法という別のプロセスにかけます。シリコンカーバイド粒子が互いに結合してできたボディが得られます。非常に純粋で結晶性の高いシリコンカーバイドを選択します。その後、加熱すると、バインダーが少量消失します。その後、化学気相浸透法によって、より多くのシリコンカーバイドが細孔に堆積します。」

化学蒸気浸透プロセスでは、SiC 構造が炉内に注入され、すべての空きスペースを埋めるためにさらに SiC が使用されます。その結果、「比較的密度が高く、完全に密封され、強度があり、非常に複雑な形状の高純度シリコンカーバイド」が生まれ、これがウルトラセーフニュークリア社の FCM 燃料フォーマットの一部となるシェルを形成します。 ExOne のバインダージェッティング 3D プリンターから生成されるこれらの数千個の燃料要素には、印刷プロセス中に固有のバーコードが組み込まれており、同社が品質を管理できるようにしています。外側から見ると、要素はシリコンカーバイドの塊のように見えますが、内部では燃料粒子が非常に特殊な方法で配置されており、該当する場所には冷却チャネルなどの機能化された構造が統合されています。

△昨年8月、ウルトラ社のヴェネリCEO、ORNLのマッカーシー副所長、フライシュマン下院議員、ブラックバーン上院議員、職員のイヴェンス氏。ハフ次官補とテネシー州副知事のマクナリー氏、そして特別ゲストが、ウルトラセーフ社の新しいパイロット燃料製造施設を視察しました。これらの燃料ペレットは、USNC 社のマイクロモジュラーリアクター (MMR) エネルギーシステムで使用されます。ウルトラセーフ社は、MMR 設計が商用リアクターの中で最も低い電力密度と最も高い表面積対電力比を実現していると考えています。複数の MMR システムを連結すると、化学工場、大規模な工業地帯、遠隔地のコミュニティ、都市全体に電力を供給できるようになります。現在、オランダの原子炉で試験が行われており、カナダは2026年に予定されている初の原子力発電プロジェクトの準備を進めている。

テラーニ氏は、これまでの原子炉設計は従来の製造工程によって制限されていたと述べた。例えば、従来の軽水炉を構成する棒の配列は、製造業者が棒ごとに金型を変えたくないため、バッチで製造される。 3D プリントは、FCM 燃料フォームのシリコンカーバイドケースの場合と同様に、UltraSafe Nuclear に別のソリューションを提供します。

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