Avançando na inspeção de componentes de reatores nucleares impressos em 3D

Uma parceria de pesquisa entre dois laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA (DoE) acelerou a inspeção de componentes nucleares fabricados aditivamente – com o esforço agora se expandindo para inspecionar combustíveis nucleares. O Idaho National Laboratory (INL) está usando um algoritmo de software desenvolvido pelo Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para verificar falhas em componentes fabricados aditivamente como parte do processo de identificação de metais e ligas promissoras para impressão 3D da próxima geração de reatores nucleares.

Qualificar novos materiais e tecnologias de fabricação para componentes de reatores nucleares pode levar décadas. A colaboração contribui para uma implantação mais rápida de novos tipos de reatores para que a energia nuclear possa cumprir seu potencial de criar energia abundante e confiável.

A tecnologia desenvolvida pelo ORNL foi tão bem-sucedida que os pesquisadores agora estão treinando o algoritmo para inspecionar os invólucros cerâmicos de combustível nuclear irradiado testados no INL.

“Se usarmos esse algoritmo para reduzir o tempo de varredura de combustíveis radioativos em 90%, isso aumentará a segurança do trabalhador e a taxa em que podemos avaliar novos materiais”, disse Bill Chuirazzi, um cientista de instrumentos e líder do grupo de Difração e Imagem do INL. As ramificações para o campo nuclear se estendem muito além do projeto atual. “No futuro, isso nos permitirá acelerar o ciclo de vida de novas ideias nucleares, da concepção à implementação na rede elétrica.”

Avançando na inspeção de componentes de reatores nucleares impressos em 3D. O INL está usando um algoritmo desenvolvido pelo ORNL para verificar falhas.
Crédito da imagem: Bill Chuirazzi/INL, US DoE. Fonte:(https://www.voxelmatters.com)

Inspeção aprimorada

A tomografia computadorizada de raios X – uma tomografia computadorizada como as usadas na área médica – é usada para verificar a qualidade interna de objetos impressos em 3D sem danificá-los. Uma série dessas imagens de raios X são combinadas e reconstruídas para revelar a estrutura interna – identificando fraquezas ou erros de impressão.

No entanto, escanear a mesma peça de muitos ângulos pode ser demorado e caro. A tecnologia da ORNL, chamada Simurgh – em homenagem a uma besta alada mitológica – oferece uma solução. O Simurgh usa dados de treinamento realistas para ensinar uma rede neural – alavancando simulações baseadas em física com design auxiliado por computador para reconstruir imagens mais precisas com menos tomografias computadorizadas do que o método convencional. Os tempos de escaneamento para materiais muito densos agora são 12x mais rápidos com uma capacidade quatro vezes maior de detectar defeitos.

O pesquisador do ORNL Amir Ziabari e seus colegas desenvolveram a tecnologia em 2022 no Escritório de Materiais Avançados e Tecnologias de Fabricação do DOE, ou AMMTO, para uso com peças de metal impressas em 3D .

As aplicações e o desempenho da tecnologia foram expandidos desde então sob o programa Advanced Materials and Manufacturing Technologies, ou AMMT, no Office of Nuclear Energy do DOE. Por meio deste programa, pesquisadores de ambos os laboratórios traduziram os benefícios do Simurgh para as rigorosas demandas do campo nuclear. Isso abriu uma série de novas aplicações – desde a rápida caracterização de centenas de peças e materiais nucleares até a inspeção segura de peças irradiadas para melhorar o processo de impressão.

“A energia nuclear é um ambiente de alto custo com padrões extremamente altos de precisão, materiais e segurança”, disse Ryan Dehoff, Diretor da Manufacturing Demonstration Facility (MDF) do DOE no ORNL. “O fato de [que] estamos usando esse conjunto de ferramentas na esfera nuclear fala da qualidade e confiabilidade da tecnologia.”

Avançando na inspeção de componentes de reatores nucleares impressos em 3D. O INL está usando um algoritmo desenvolvido pelo ORNL para verificar falhas.
Crédito da imagem: Bill Chuirazzi/INL, US DoE. Fonte:(https://www.voxelmatters.com)

O MDF, apoiado pela AMMTO, é um consórcio nacional de colaboradores que trabalham com o ORNL para inovar, inspirar e catalisar a transformação da indústria dos EUA.

A recente parceria de pesquisa começou depois que o INL encontrou um desafio logístico ao tentar vincular defeitos a parâmetros de impressão específicos. Os pesquisadores precisaram escanear mais de 30 amostras para reconhecer padrões, mas cada escaneamento levou 30 horas. Antes de reduzir o esforço, Chuirazzi consultou Ziabari do ORNL. Licenciar o algoritmo de seu colega permitiu a coleta de todos os dados de forma oportuna. “Incluindo a preparação, agora leva cerca de 15% do tempo que levava para escanear algo com nossa configuração”, disse Chuirazzi. “Podemos fazer três escaneamentos no tempo que levamos para concluir um.”

Chuirazzi percebeu que esses benefícios poderiam ser aplicados a um desafio nuclear diferente em outro programa federal focado em combustíveis nucleares .

Materiais radioativos

A varredura de combustíveis e materiais nucleares radioativos é a especialidade do Laboratório de Caracterização de Materiais Irradiados do INL, onde Chuirazzi trabalha. Uma série de blindagens e outras precauções são necessárias para proteger técnicos e eletrônicos toda vez que amostras altamente radioativas passam pelo laboratório.

Pesquisadores do INL frequentemente atrasam o exame de materiais removidos de um reator nuclear para permitir que a radioatividade se dissipe o suficiente para a segurança dos técnicos de laboratório. A radiação acumulada durante varreduras XCT repetidas também desgasta o detector – limitando sua vida útil e precisão de imagem. Varreduras mais curtas significam menos dosagem de radiação por varredura e menos espera – ao mesmo tempo em que permitem dados de maior qualidade e feedback mais rápido para modelos de desempenho de material.

“À medida que o Simurgh continua a evoluir, ele consolida seu papel na geração de imagens de TC de raios X, revolucionando a abordagem para analisar componentes complexos com eficiência, custo-efetividade e segurança aprimoradas”, disse Ziabari. A ferramenta foi inicialmente licenciada pela ZEISS, uma fabricante de scanners de TC de raios X industriais e uma parceira de pesquisa do ORNL.

No reino nuclear, poderia acelerar o desenvolvimento e a caracterização de materiais estruturais e combustíveis para reatores de gás avançados ou de alta temperatura, reatores de sal fundido e pequenos reatores modulares. Entre os combustíveis mais promissores para novos projetos de reatores avançados está o combustível de partículas isotrópicas triestruturais, ou TRISO. As partículas TRISO consistem em um minúsculo núcleo de combustível encapsulado dentro de um material à base de carbono e cerâmica.

Ziabari agora está treinando Simurgh para processar imagens de raios X 3D dessas partículas e combustíveis depois que eles foram irradiados, para que especialistas do INL possam verificar inchaço induzido por irradiação, rachaduras e separação de camadas externas. Pesquisadores nucleares do ORNL também estão buscando oportunidades de usar o software para identificar defeitos e outras características de interesse em partículas e formas de combustível.

Isso pode abrir caminho para testar componentes de metal irradiados, como os suportes de combustível impressos em 3D criados no MDF sob o programa Transformational Challenge Reactor. Esses componentes foram expostos à radiação desde 2021 na Usina Nuclear Brown’s Ferry da Tennessee Valley Authority. Uma vez removidos da operação, eles serão avaliados usando Simurgh para reconstruir os dados de TC de raios X.

A confluência de capacidades avançadas de computação, caracterização e manuseio de materiais irradiados em ambos os laboratórios acelerará o desenvolvimento de novos projetos de combustível e a qualificação de materiais para componentes nucleares impressos em 3D, ajudando a indústria a implementar novos reatores. Para saber mais sobre os laboratórios acesse o site.

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Marcus Figueiredo

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