オークリッジ国立研究所が原子燃料炉の部品を3Dプリントし、TVA原子力発電所に設置して運用することに成功

はじめに：2021年8月12日、Antarctic Bearは海外メディアから、オークリッジ国立研究所（ORNL）が開発した最初の3Dプリント部品が、アラバマ州にあるテネシー川流域開発公社（TVA）のブラウンズフェリー原子力発電所に設置されたことを知りました。これらの部品は3Dプリントされた燃料集合体ブラケット4つで、現在工場で正常に機能しています。
この燃料集合体は、ORNL の変革チャレンジ炉 (TCR) プログラムの一環として、TVA および核燃料サプライヤーの Framatome と共同で ORNL で開発されました。このプログラムの目的は、米国内での原子力エネルギーのより迅速かつ安価な分配を模索することです。
「原子炉アプリケーションにおける 3D プリント部品の使用は、高度に規制された環境でも品質の高い部品を提供できることを示す大きなマイルストーンです」と、ORNL の TCR プログラムディレクターであるベンベッツラー氏は述べています。「TCR プログラムは、基礎科学と応用科学技術を橋渡しして具体的なソリューションを提供し、高度な製造によって原子炉技術とコンポーネントを変革できることを実証しています。」
3D プリントされた燃料集合体ブラケット<br /> 昨年12月、ORNLのパートナーは、TCRの高度な監視および人工知能（AI）技術を使用して作成された初のデジタル的に相同な物理部品である3Dプリント燃料集合体ラックの開発と設置の計画を初めて発表しました。
ORNL は、フラマトム社の沸騰水型原子炉燃料集合体用のチャネルファスナーを 3D プリントしました。これは、燃料棒を通して冷却剤を上向きに導くチャネルを固定するために集合体の上部に取り付けられるブラケットです。伝えられるところによると、このチャネルファスナーは、原子炉に設置される最初の3Dプリント安全関連部品であり、原子炉用に設計された部品の品質を迅速に認証する方法を研究しているTCRのデジタルプラットフォームのテストケースです。
これらの部品は現在ブラウンズフェリー原子力発電所で稼働しており、今後6年間は原子炉内に留まり、定期的な検査を受ける予定だ。燃料アセンブリブラケットは、ORNL にある米国エネルギー省 (DoE) の製造デモンストレーション施設で設計および 3D プリントされ、そのシンプルで非対称な形状により、原子炉で使用する最初の 3D プリントアプリケーションとして選ばれました。
「ORNL は最先端の印刷機能、世界クラスの機械加工の専門知識、次世代のデジタル製造技術、そして包括的な特性評価およびテスト設備を提供しています」と、ORNL の安全およびデジタル製造部門の責任者であるライアン・デホフ氏は述べています。
△ 3D プリントされたチャネルファスナーを使用した沸騰水型原子炉燃料アセンブリアセンブリ。写真はFramatomeより
TCR プログラム<br /> 世界原子力協会の報告によると、原子力エネルギーは現在、米国の電力供給の約20％を供給しているが、現在の原子炉は70年前の軽水技術に基づいているため、2055年までに免許の期限切れにより廃止される可能性が高い。
この課題に対処するため、ORNL の TCR プロジェクトでは、安全性を向上させながら製造コストとリードタイムを削減する手段として、原子力分野で 3D プリント、計算モデリング、人工知能を活用する道を切り開くことを目指しています。
「TVA および ORNL と協力することで、革新的な技術を導入し、原子力産業に利益をもたらす 3D プリントの新興市場を開拓することができます」と、フラマトムの北米燃料研究開発マネージャー、ジョン・ストランペルは述べています。「このプロジェクトは、クリーンエネルギーの未来を創造するのに役立つさまざまな 3D プリント部品の設計と製造の基盤を提供します。」
このプログラムの一環として、ORNL は直接エネルギー堆積 (DED) 3D プリントなどの技術を使用して原子炉の炉心を構築することを目指しています。チームはまた、コアの作成に使用される 3D プリント部品の一貫性と信頼性を確認するための認定方法を確立しています。
ORNL は最近、原子炉部品の製造用に特別に設計された新しい 3D 印刷技術の開発を発表しました。この技術は、原子炉の安全な運用に不可欠な高温および耐火金属を印刷することができます。
昨年、パーデュー大学は、原子炉コアの開発を加速するためにエネルギー省から80万ドルの助成金を受け、TCRプロジェクトの主要貢献者となった。この目的のために、パデュー大学は、TCRマイクロリアクター用の3Dプリント部品の原子力グレードの品質を確保するための人工知能モデルを開発しています。
TVAの原子力技術革新担当ディレクターのダン・スタウト氏は、「TVAは将来に向けた新たな原子力技術の開発に積極的に取り組んでおり、この革新的な製造手法についてORNLおよびフラマトムと協力することで、既存の原子力艦隊だけでなく、先進的な原子炉や小型モジュール炉での使用への道が開かれる可能性があります」と付け加えた。

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