TRISO燃料と耐火金属の3Dプリントは、より安全で経済的な新世代の原子炉を形成する可能性がある

BWX Technologies (NYSE: BWXT) は、Battelle Energy Alliance LLC から TRISO 核燃料の製造に関する 490 万ドルの契約修正を獲得しました。 BEA はエネルギー省に代わってアイダホ国立研究所を管理しています。修正条項に基づき、BWXT の子会社である Nuclear Operations Group, Inc. は、安全な原子力エネルギーを供給する次世代のマイクロリアクターに動力を供給するために使用される一定量の天然ウラン TRISO ペレットを生産することになります。
「当社はTRISOおよび特殊燃料市場の成長に興奮し、自信を持っています。そして、2020年春以来3度目のTRISO燃料生産契約によってその自信が実証されていると信じています」とBWXTの原子力事業グループの社長、ジョエル・デュリング氏は述べた。「当社は、燃料、マイクロリアクターの設計および製造におけるさらなる仕事を引き受ける独自の立場にあります。」
△三酸化燃料粒子の一種。 TRISO ペレットは原子炉内で溶解することはなく、現在の核燃料の閾値をはるかに超える極端な温度にも耐えることができます。
TRISO は、ウラン原子炉燃料の特定の設計を指します。 TRISO は、TRIstructural-ISOtropic の略語です。 TRIstructural はウラン燃料の周囲のコーティングを指し、ISOTROPIC は核分裂生成物を保持するために全方向に均一な材料特性を持つコーティングを指します。粒子は非常に小さく（ケシの実ほどの大きさ）、非常に硬いです。高温ガスまたは溶融塩冷却炉で使用するために円筒形のペレットとして製造できます。 TRISO 燃料は、従来の原子炉燃料と比較して、中性子照射、腐食、酸化、高温に対する構造的な耐性が優れています。 3 層コーティングにより、各粒子は独自の封じ込めシステムを備えています。これにより、原子炉のあらゆる条件下で核分裂生成物を保持できるようになります。つまり、TRISO ペレットは原子炉内で溶解することはなく、現在の核燃料の閾値をはるかに超える極端な温度にも耐えることができます。

TRISO 燃料テストは、先進炉コミュニティで幅広い関心を集めています。 X-energy、Kairos Power などの原子炉ベンダーや国防総省は、小型モジュールやマイクロ原子炉のコンセプトを含む TRISO 燃料を使用した設計を計画しています。 BWXT は現在、生産規模の設備を使用して照射試験済みのウランオキシカーバイド TRISO 燃料を生産している唯一の米国企業です。同社のTRISO生産施設は現在、このタイプの高分析低濃縮ウラン（HALEU）燃料を生産する認可を受けており、一連の実験で実証されています。 BWXT 社は、エネルギー省と国防総省から以前に発表された資金を利用して、TRISO 燃料用のマイクロリアクターも設計しています。 3D プリンティングが原子力分野で初めて登場するのはここです。

3Dプリント原子炉用TRISO燃料

2020 年 3 月、BWXT の原子力運用グループ (NOG) は、米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所 (ORNL) から、変革チャレンジ炉 (TCR) の継続的な開発をサポートする TRISO 核燃料を製造する契約を獲得しました。 TCRプロジェクトは、付加製造によるマイクロリアクターの構築を目指しており、2024年までに実証プラントを稼働させる計画だ。

BWXTの子会社であるNOGは、2019年後半にリンチバーグ（バージニア州）の工場でTRISO燃料の生産を開始しました。「当社の先進的な原子力技術の新たな市場を模索する中で、今回の契約締結は戦略的に重要です」と、BWXT NOGのジョエル・デュリング社長は語った。「この契約を大変嬉しく思っており、オークリッジ国立研究所およびエネルギー省と協力し、新しい低コストの付加製造原子炉による安全でクリーンな原子力発電を実証することを楽しみにしています。契約範囲には、ウラン核、TRISO コーティングされた代替材料、および TRISO コーティングされたウランコアの製造と配送が含まれます。ORNL は、原子炉設計と高度な製造プロセスの開発と試作を継続する中で、これらの材料を使用します。」
△BWXTのTRISO生産施設は現在認可され稼働しており、生産能力の拡大が進行中です。
原子力産業の利益

このプログラムは、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の迅速な導入のために、業界に技術を引き渡すためのデジタルプラットフォームも構築します。「TCRのコンセプト全体は、積層造形プロセス技術の大きな進歩のおかげで実現しました」とテラーニ氏は語った。「3D プリントを使用することで、原子力コミュニティが過去数十年間活用できなかった技術や材料にアクセスできるようになります。これには、ほぼ自律的な制御のためのセンサーとデータベース、および原子力コミュニティ全体に利益をもたらす新しい加速認証アプローチが含まれます。」しかし、TCR の最終的な目標は、単一の原子炉よりも大規模です。原子力産業だけでなく、他の産業の製造に革命を起こすことです。つまり、外部の企業は、ORNL が TCR プログラムから学んだことからすでに利益を得ているということです。「TCR のこのフレームワークを開発するにあたり、部品の製造に積層造形とデータ分析技術の恩恵を受けられる可能性のある企業とも協力しています」と、ORNL の堆積科学技術グループの責任者であるライアン・デホフ氏は述べています。「特に原子力産業において、3D プリントが提供できる利点を企業に示しました。そして今、それらの利点のいくつかを実現し始めるために企業と協力し始めています。」
△ 業界パートナーであるKairos Power社向けの縮小型原子炉プロトタイプ用に、ORNLにある米国エネルギー省の製造実証施設で製造された部品。画像出典: カイロスパワー
一例としては、Kairos Power があります。この技術は、Transformational Challenge Reactor プログラムで使用されているものと同じであるため、ORNL は積層造形を使用してプロトタイプを継続的に微調整し、テスト用のさまざまな部品を迅速に製造しました。カリフォルニアに拠点を置くカイロス社も、厳しいスケジュールの中で革新的な原子力技術を開発したいと考えており、そのために同社はORNLと協力して自社の原子炉プロトタイプ用の特定の部品を製造することになった。このセクションは、熱源を通して溶融塩を移動させるように設計された熱交換器回路の一部である密閉型ポンプインペラです。最高 600 度の温度に耐える必要があり、動作方法に変更がないようにプロトタイプの他の部分と完全に適合する必要がありました。形状、サイズ、表面が正確に正しい必要があります。

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