3D プリントは原子力産業に役立ちます!

はじめに: 原子力エネルギーについて話すとき、私たちは通常それを気候変動問題の解決策として議論しますが、同時にそれは危険な技術でもあります。福島やその他の原子力事故により、原子力発電は常にリスクを伴うことになる。現在、53基の原子力発電所が建設中です。それぞれの建設にはおよそ50億～90億ドルの費用がかかります。場合によっては、コスト超過によりコスト見積りが 2 倍になることもあります。現在、金利が上昇しているため、発電所の建設コストは他のエネルギー源のコストをはるかに上回っています。しかし、全体として、原子力エネルギーは電力を生成するための非常に効率的な技術であり、これにより各国はエネルギー面で自立し、天候に左右されなくなります。現在、約440基の原子炉が稼働しており、そのメンテナンスも大きなビジネスとなっている。では、3D プリント技術は原子力の分野でどのような役割を果たすことができるのでしょうか?

原子力発電における 3D プリンティングの研究● ピッツバーグ大学は、付加製造技術を使用して原子力エネルギー産業の製造効率を向上させることを検討しています。
●GEと日立はAMのコスト削減を目的とした原子力プロジェクトで協力しました。
●パデュー大学では、研究者が3Dプリントマイクロリアクターの実験を行っています。
●Desktop Metal のプリンターは、Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) のシリコンカーバイド部品の印刷にも使用されています。

△ インペラ、3D プリントされたプロトタイプ、そしてその結果得られた 3D プリントされた交換部品 (画像: シーメンス)

●シーメンスは稼働中の原子力発電所に少なくとも 1 つの 3D プリント部品を設置しました。これらの部品は2017年にスロベニアのクルシュコ原子力発電所（NEK）向けに初めて製造され、メンテナンスコストの削減に貢献しています。シーメンスの最初の部品は、消防ポンプ用の直径108ミリメートルの金属インペラです。

ウェスティングハウス社は原子炉用の部品も3Dプリントしている。部品が高価かつ重要である場合、3D プリントによって組み立て手順を減らすことで、コストを大幅に削減できます。

アイダホ国立研究所は、原子力産業向けの新しい部品をより迅速かつコスト効率よく製造するために、3Dプリントの安全性試験および認定機器も研究してきました。

△32783D、CFCT化学者グループ：アンドリュー・ブレシャーズ、ピーター・コザック、アレックス・ブラウ

●アルゴンヌ国立研究所の科学者は、3D プリントを使用して核燃料のリサイクル効率を向上させています。科学者たちは、継続的なALSEPプロセスを通じて、原子炉で生成された使用済み燃料の最大97％をリサイクルできると考えています。彼らはデザインに多くの 3D プリント部品を使用しましたが、その一部は Formlabs のデスクトップ 3D プリンターで作られました。 3D プリントにより流体の動きの効率が向上し、より多くのコンポーネントを統合できるようになります。

△これらの燃料集合体ラックは、ORNL が Framatome およびテネシー川流域開発公社と共同で製造したもので、原子力発電所に挿入される最初の 3D プリントされた安全関連コンポーネントです。

●ORNLはTVA原子炉の部品を製造しました。 Framatome との提携により製造されたこれらのコンポーネントは安全性が極めて重要です。このアセンブリは、燃料チャネルを沸騰水型原子炉燃料アセンブリに固定し、燃料チャネルはアセンブリを囲み、冷却剤を燃料棒に導きます。 ORNL はまた、耐火金属の電子ビーム溶融と、化学蒸気浸透 3D 印刷法によるバインダージェッティングを使用して、原子炉部品を 3D 印刷しました。さらに、ORNL は DED を使用して原子炉の炉心を製造しています。

△核融合試験炉用3Dプリント部品

●我が国では、研究者が粉末床溶融結合法を利用して、鋼鉄製の核融合炉被覆部品を3Dプリントしています。他にも、Admatec 社や Lithoz 社製のものなど、組成が最適化されたセラミックスラリーを使用して核融合炉のトリチウム製造コアを最適化しようとしている企業もあります。

△セラミックスラリー印刷

3D プリンティングは、新世代の核融合炉の開発においてますます重要な役割を果たす可能性があります。 3D プリント技術には多くの利点があります。
1. 例えば、部品の統合や組み立てのコストが低くなります。さらに、組み立て手順が少ないということは、リスクも少なくなることを意味します。手順をなくすことは人為的ミスもなくなることを意味し、留め具、溶接、ろう付け、接着剤による故障の可能性がなくなります。

2.流体の流れを誘導したり、減速したり、加速したり、あるいは流体をより効率的に加熱したり冷却したりできる非常に複雑な内部チャネルを作成することにより、流体の輸送を最適化できます。 3Dプリントにより重量も軽減できます。原子炉内のスペースを 1 立方センチメートル節約するということは、原子炉を囲むのに使用する鋼鉄とコンクリートの使用量が少なくなることを意味します。これは建設プロジェクトに大きな影響を与える可能性があります。新しい部品の開発や製造時にもコストを節約できます。

3.最適化された表面形状やコンポーネント特性も、プラントのライフサイクルと効率に大きな影響を与える可能性があります。現在存在する440の工場すべてにおいて、廃止部品の数も高い。原子力発電所などの発電所にも多くのインペラやタービンがあり、これらの部品の製造には3Dプリントが特に適しています。原子力エネルギーでは、凝固プロセスで製造するのが難しい多くの硬い材料や、一般的に製造が難しい多数の材料も使用されます。全体的に、原子力産業における 3D プリントの応用はまだ比較的小規模です。原子力産業は現在無視されている分野であり、もっと注目されるべきです。

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