海外の原子力産業における 3D プリント技術の応用一覧

出典: サンバレー

はじめに: 3D プリントは、積層造形 (AM) とも呼ばれ、デジタルモデルファイルを基に、粉末金属やプラスチックなどの接着可能な材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。複雑なコンポーネントの製造に適しており、原子力分野で幅広い用途があります。オークリッジ国立研究所、ウェスティングハウス・エレクトリック・カンパニー、フラマトムなどの海外の原子力大手は、3Dプリント技術の開発を積極的に進めている。

1. オークリッジ国立研究所（米国） <br /> 米国のオークリッジ国立研究所 (ORNL) は、変革チャレンジ原子炉実証プログラム (TCR) 建設プログラムの実施を主導しています。 TCRプログラムは、3Dプリンティング、新素材、計算科学などの先進製造技術における最新の研究開発成果を統合することを目標に2019年に開始され、2023年までにマイクロリアクターを構築する予定。このプログラムは、機器製造、材料、原子力科学、原子力工学、データ分析、および関連分野におけるオークリッジの革新的な能力を活用します。

オークリッジは、TCRが先進的な原子炉を建設するために、新しい先進材料と統合センサーおよび制御コンポーネントを使用すると述べた。その目標は、科学技術の進歩を通じて原子炉のコストを削減し、原子炉の設計、製造、認証、運用に新しい道を開くことです。 TCR プログラムは、コア設計の選択と 3 か月の「スプリント」を含む、いくつかの基本的な実験を完了しました。後者の主な目的は、プロトタイプコアの迅速な製造に 3D プリント技術を使用する俊敏性を実証することです。研究者らは今後、選択された設計とプロセスをさらに最適化していく予定です。
△TCRプリントモデル
TCR コアは、従来の技術を使用して製造されたステンレス鋼の圧力容器に収納されています。炉心は三元構造等方性ウラン窒化物 (TRISO) 燃料と炉心構造部品で構成されています。コア構造部品は3Dプリント技術を使用して製造され、材質はシリコンカーバイドです。燃料ブロックはステンレス鋼構造に配置され、イットリウム水素化物減速材と混合されます。イットリウム水素化物減速材は、臨界を達成するために必要な高濃縮低濃縮ウランの量を最小限に抑えます。 TCRはオークリッジに建設される14番目の原子炉となる。
△TCRチームがコアのニューラルネットワーク解析を実施
2020年5月11日、米国エネルギー省オークリッジ国立研究所（ORNL）は、原子力発電所の炉心部分の3Dプリント技術において画期的な進歩を達成したと発表した。 TCR 六角形リアクターアセンブリの 3D プリントには、約 40 時間かかったと報告されています。3D モデルの周囲の温度は 1400°C を超えました。レーザーはモデルを加熱して溶かし、同時に新しい層を追加しました。研究室の研究者たちは現在、設計を改良し、3D 製造プロセスを最適化し、印刷された部品の一貫性と信頼性を実証しています。

ORNL研究所所長のトーマス・ザカリア氏は「原子炉部品を3Dプリントするという挑戦は、これまでに行われたことのない方法だ。これは、製造、材料、原子力科学、原子力工学、高性能コンピューティング、データ分析、その他の関連分野の連携の結果だ」と語った。
この写真は、二重壁被覆と、高表面積と螺旋ガイドを備えた冷却チャネルを備えた燃料要素を示しています。
TCRのテクニカルディレクター、カート・テラーニ氏は次のように語った。「私たちはこの数か月間、このプロジェクトを積極的に開発してきましたが、その努力により、この技術が3Dプリントされた原子炉コアを実証する準備ができていることが証明されました。」現在の原子力情勢は非常に深刻であり、このタイプの 3D プリント技術は原子力分野における迅速な革新に役立ちます。 TCR 展開計画の一環として、3D プリントされた原子炉は、先進的な原子力エネルギーシステムの迅速な展開のための新しいモデルを提供します。さらに、この技術を使って部品を迅速に製造できるよう、他産業への技術移転を支援するデジタルプラットフォームを構築します。

BWXT Nuclear Operations Group, Inc. は、米国エネルギー省オークリッジ国立研究所から、変革チャレンジ炉 (TCR) の継続的な開発をサポートする TRISO 核燃料の製造契約を獲得しました。
△TCR積層造形溝付きチャネルファスナー
2020年12月、TCRプロジェクトによって製造された3Dプリントのスロットチャネルファスナーが、ワシントン州リッチランドのフラマトム核燃料製造施設のアトリウム10XM沸騰水型原子炉に初めて設置され、燃料チャネルをアセンブリグリッドに固定しました。これらはORNLの3Dプリント技術を使用して印刷されました。

2. ウェスティングハウス・エレクトリック・カンパニー<br /> オークリッジ国立研究所に加え、米国のウェスティングハウス・エレクトリック社も2020年5月4日、2020年春の燃料補給のための停止中に、バイロン1号機に3Dプリント技術を使用して作られたピン差し込み装置を設置することに成功したと発表した。 3Dプリントされた部品が原子炉の炉心に設置されるのは世界初となる。
△バイロン１号機のピン差し込み装置また、ジルコニウムよりもはるかに高い温度に耐えられる燃料棒用ＳｉＣコーティングも市場に登場している。 SiC 燃料棒は通常、表面が非常に粗いため、水平ディンプル設計、特にほとんどの加圧水型原子炉グリッドで一般的に使用されている水平ディンプル設計では損傷が発生する可能性があります。ウェスティングハウスは新しい燃料集合体グリッド設計を考案し、3D プリントを使用して、その構造を 1 つのステップで統合コンポーネントとして製造しました。

ウェスティングハウス設計のグリッドは、細長い燃料集合体の垂直軸に沿った軸方向寸法を有しています。核燃料集合体グリッドには、断面がほぼ正方形の 4 つの壁を持つ複数の管状燃料棒支持ユニットが含まれています。隣接する燃料棒支持室または制御棒支持室の各壁には、内部に支持用の垂直バネが備えられている。ウェスティングハウス社は、燃料棒支持ユニット間の領域において燃料棒支持ユニットの外側に取り付けられる混合ベーンも検討している。
△ウェスティングハウス社の3Dプリントで製造された燃料グリッドウェスティングハウスエレクトリック社が開発したグリッドは、3Dプリント技術を導入することで、組み立てや溶接工程を経ずに印刷が可能になりました。新しい設計では、既存のグリッド設計と比較して、SiC 型燃料棒をスムーズに挿入できると同時に、圧力損失も低減できます。付加製造技術により、次のようなグリル設計が可能になります。
1) 熱性能と水力性能を向上させるために、高度に洗練されながらも完全に統合された混合機能を実装します。
2) 総圧力降下を最小限に抑える。
3) 振動に対応するためにグリッド全体の強度を向上させる。

GE は、SLM 3D 印刷技術を試作に使用し、下図に示すように GNF2 核燃料アセンブリを設計しました。アセンブリには改良されたデブリフィルターがあり、デブリが燃料棒に接触する可能性が大幅に低減され、信頼性が向上し、運用コストが削減されます。
△GNF2核燃料集合体とそのデブリフィルター

3. フラマトム
2015年、フラマトムはドイツのエアランゲン研究所で積層造形プロジェクトを立ち上げ、積層造形技術を使用してステンレス鋼とニッケルベースの合金燃料集合体を製造することに重点を置きました。このプロジェクトにはフランス、ドイツ、米国の燃料専門家が関与しており、欧州連合と米国エネルギー省も支援している。

フラマトムは、PWR、BWR、VVERユニット用の燃料アセンブリを製造するために積層造形法を使用する予定です。フラマトム氏は、この技術はラピッドプロトタイピング、試験組立、燃料生産ラインツール製造、炉内燃料検査、サービスツール修理など、他の核燃料用途にも使用できると強調した。

フランスのフラマトム社は2020年11月、3Dプリント技術を使用して製造された燃料集合体がスイスのゲスゲン原子力発電所（1010MWe、PWR）で最初の照射検査サイクルを完了したと発表した。
△スイスのゲスゲン原子力発電所この実験用ステンレス鋼およびニッケル基合金部品のバッチは、2019年にゲスゲン原子力発電所の原子炉に装填されたとみられる。これらが適格かどうかをテストするには、合計5回の照射検査サイクルを完了する必要がある。照射済み燃料集合体については、実際の運転条件下での性能を確認するため、さらに検査が実施される予定です。

4. ロスアトム ロシア国営原子力公社（ロスアトム）は、非中核事業戦略の一環として、先進的な3Dプリント技術を活用する計画だ。同社の計画によると、最新の3Dプリント事業はまず原子力分野で活用され、その後、他の事業分野に拡大される。この3Dプリント事業では、革新的な金属粉末材料と自社開発の産業用3Dプリンターが使用される。同社の多くの部門が、各部門で3Dプリント技術を使用して製造できる部品の種類を提案している。

2020年現在、3Dプリント技術はロスアトムの非原子力事業の主要分野の1つとなっている。ロスアトムは、あらゆる設計アイデアを最終製品に変えるのに役立つ機器、材料、技術の計画など、付加製造サービスを提供するのに必要な専門知識を多く持っています。同社はまた、3Dプリント部品の信頼性と安全性を確保し、非常に高い中性子束の放射線に耐えられるようにテストすることにも注力している。

5. その他の機関
2016年6月、ゼネラル・エレクトリックと日立原子力エネルギー（GEH）は共同で、原子力発電所に必要な部品を3Dプリントで製造するプロジェクトを立ち上げた。これらの部品は製造されると、米国のアイダホ国立研究所（IDL）に送られ、核放射線試験が行われ、その後、非照射材料と比較されます。このプロジェクトは、その将来性が期待されているため、米国エネルギー省から200万ドルの資金提供を受けた。

GEHの広報担当者ホリン・フェルプス氏は、このプロジェクトでは部品製造工程が大幅に簡素化され、製造時間が約10倍短縮されるなど、3Dプリント技術のメリットが明らかであると述べた。 3D プリンターのサイズによって制限されるものの、GEH の現在の最大造形容積は約 400 立方ミリメートルに過ぎませんが、デブリフィルター、沸騰水型原子炉、防振ジェットポンプなどの小さな部品には十分です。さらに、新設の原子力発電所では、3D プリント技術を使用して微細動作制御棒駆動装置を製造することもできます。

2017年、ドイツのシーメンス社はスロベニアのクルシュコ原子力発電所に3Dプリントされた消火ポンプのインペラを設置しました。同発電所はそれ以来安全に稼働しており、商業用原子力発電所に3Dプリント装置が初めて適用されたことになります。

△原子力発電所消火ポンプ用3Dプリントインペラ
2019年初め、スウェーデンの3Dプリント企業2社、Additive CompositeとAdd North 3Dが共同で、原子力産業の放射線遮蔽用途に適した新しい炭化ホウ素複合フィラメントをリリースしました。これは原子力発電所の遮蔽材として使用できます。

結論
3Dプリンティングは近年登場した新しい製造技術であり、原子力分野で幅広い発展の見込みがあります。海外の原子力大手は、原子炉用の3Dプリント部品の計画と生産を積極的に開始している。米国のオークリッジ国立研究所のTCRプロジェクトも、原子炉の建設に歴史的な変化をもたらすために、3Dプリント技術を使って原子炉の炉心を生産する計画だ。

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