Com um aumento significativo na taxa de adoção nos últimos cinco anos, a fabricação aditiva encontrou aplicações em diferentes setores da geração de energia e da indústria energética, tanto na construção de protótipos como na produção convencional, levando à simplificação de processos e a uma maior eficiência operacional. Muito poucos sectores energéticos poderão beneficiar mais da AM do que a relançada indústria da fissão nuclear, juntamente com grandes esperanças num futuro movido pela fusão nuclear.
Na indústria de energia nuclear, a fabricação aditiva desempenha um papel crucial na produção de componentes e protótipos complexos. Ele permite a fabricação rápida de projetos complexos, reduzindo os prazos de entrega e os custos associados aos métodos tradicionais de fabricação. Essa tecnologia permite a criação de peças especializadas com maior durabilidade e precisão, essenciais para garantir a segurança e confiabilidade das usinas nucleares. Além disso, a impressão 3D pode ser usada para produzir materiais e ferramentas resistentes à radiação para manutenção e reparo em ambientes radioativos.
Manufatura aditiva para os atuais reatores de fissão
A indústria nuclear civil é um dos segmentos mais quentes para as aplicações de fabricação aditiva relacionadas à energia. Desde que a Siemens instalou com sucesso uma peça impressa em 3D – um impulsor metálico de 108 milímetros de diâmetro para uma bomba de proteção contra incêndios – na central nuclear de Krško, na Eslovénia, novas aplicações AM para centrais nucleares têm estado em desenvolvimento. Com os materiais adequados, incluindo cerâmica e metais refratários, a AM pode ser usada para peças obsoletas que não estão mais disponíveis, permitindo que usinas antigas continuem suas operações, enquanto novos materiais AM estão sendo qualificados para proteção contra radiação por meio de tecnologias de jato de ligante e extrusão. junto com PBF metálico.
A pesquisa avançada sobre o uso de substitutos impressos em 3D e peças sobressalentes para reatores nucleares começou em 2016, quando o Departamento de Energia dos EUA (DOE) selecionou a GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) para liderar um projeto de pesquisa de fabricação aditiva de US$ 2 milhões. O projeto faz parte de um investimento de mais de US$ 80 milhões em tecnologia nuclear avançada.
A GEH liderou o projeto produzindo amostras de peças de reposição para usinas nucleares. As amostras foram impressas em 3D em metal nas instalações da GE Power Advanced Manufacturing Works em Greenville, SC, e depois enviadas para o Laboratório Nacional de Idaho (INL). Uma vez irradiadas no Reator de Teste Avançado do INL, as amostras foram testadas e comparadas com uma análise de material não irradiado realizada pela GEH. Os resultados foram usados pela GEH para apoiar a implantação de peças impressas em 3D para combustíveis, serviços e novas aplicações em plantas.
Exemplos mais recentes de peças funcionais incluem quatro suportes de montagem de combustível impressos em 3D, produzidos em 2021 nas Instalações de Demonstração de Fabricação do Departamento de Energia no Laboratório Nacional de Oak Ridge. Eles foram instalados e agora estão sob condições operacionais de rotina na Unidade 2 da Usina Nuclear Browns Ferry da Autoridade do Vale do Tennessee, em Atenas, Alabama .
Os componentes foram desenvolvidos em colaboração com TVA, Framatome e o Reator de Desafio Transformacional financiado pelo DOE Office of Nuclear Energy, ou TCR, um programa baseado no ORNL. A geometria simples, embora assimétrica, dos fixadores de canal foi uma boa combinação para uma aplicação inédita de fabricação aditiva para uso em um reator nuclear.
O foco atual do programa TCR é amadurecer ainda mais e demonstrar tecnologia pronta para a indústria, informada por fabricação avançada, inteligência artificial, detecção integrada e implantação de uma plataforma digital para certificação informada de componentes.
Agora as operações AM estão começando a crescer. Em 2022, a Westinghouse Electric Company instalou um componente impresso em 3D em um reator nuclear comercial na usina nuclear Byron Unidade 1 da Exelon durante a interrupção do reabastecimento na primavera. A Westinghouse opera AM de metal de fusão em leito de pó, bem como soldagem a laser com fio quente (HWLW), como parte de sua oferta de fabricação avançada. 430 reatores nucleares operam em todo o mundo usando tecnologia Westinghouse.
Também em 2022, a Westinghouse instalou seus filtros de detritos de combustível nuclear impressos em 3D StrongHold AM em duas unidades Nordic Boiling Water Reactor (BWR) —Olkiluoto 2 na Finlândia e Oskarshamn 3 na Suécia — para melhorar ainda mais a confiabilidade operacional das usinas. A Westinghouse criou o filtro StrongHold AM em estreita cooperação com os operadores da planta Teollisuuden Voima Oyj (TVO) e OKG. Os filtros StrongHold AM são totalmente fabricados através de técnicas de impressão 3D e oferecem recursos de captura aprimorados para evitar que detritos entrem no conjunto de combustível e possam danificar o revestimento, o que poderia causar interrupções não planejadas e caras.
A pesquisa e o desenvolvimento também estão em andamento para identificar mais aplicações da impressão 3D na indústria nuclear. Um deles, apoiado pelo Gabinete de Energia Nuclear do Departamento de Energia, é o já mencionado Programa de Demonstração do Reator de Desafio Transformacional (TCR). Como parte da implantação de um reator nuclear impresso em 3D, o programa criará uma plataforma digital que ajudará a transferir a tecnologia para a indústria para a rápida adoção de tecnologia de energia nuclear fabricada aditivamente.
Através do programa TCR, o ORNL procura uma solução para uma tendência preocupante: embora as centrais nucleares forneçam quase 20% da eletricidade dos EUA, mais de metade dos reatores dos EUA serão desativados dentro de 20 anos, com base nas atuais datas de expiração das licenças.
Uma situação semelhante está a ocorrer em França, onde, em meados de Agosto de 2022, mais de metade dos 56 reatores nucleares em França estavam desligados. As razões para isso foram danos relevantes para a segurança no sistema de injeção de segurança, juntamente com paradas programadas. Graves rachaduras por corrosão sob tensão na tubulação do sistema de segurança de aço inoxidável foram descobertas em 2021, exigindo paradas para inspeções e reparos. Todas estas peças terão de ser substituídas e a produção aditiva terá um papel importante, especialmente quando os moldes originais já não estiverem disponíveis.
Com isto em mente, o fornecedor francês de serviços e peças de energia nuclear Framatome concluiu a instalação do primeiro componente de combustível de aço inoxidável impresso em 3D na Usina Nuclear de Forsmark, operada pela Vattenfall na Suécia. Em colaboração com a KSB SE & Co. KgaA, as grades de placas superiores ATRIUM 11 foram projetadas, fabricadas e instaladas na Unidade 3 de Forsmark para um programa de irradiação plurianual.
Localizada na parte superior do conjunto de combustível ATRIUM 11, a grade superior da placa de ligação é um componente não estrutural de sustentação de peso que fixa as barras de combustível e impede que detritos maiores entrem no conjunto de combustível pela parte superior. As grades superiores das placas de ligação são facilmente inspecionadas e as amostras estão acessíveis para qualificar este novo processo de fabricação para uso no reator, conforme necessário.
Durante o processo de fabricação convencional, as grades superiores das placas de ligação são soldadas a laser usando folhas estampadas em forma de pente que exigem etapas adicionais de fabricação e supervisão do operador. A manufatura aditiva agiliza o processo de fabricação e aumenta as opções de design para maior funcionalidade e melhor desempenho.
A iniciativa da Framatome de introduzir a fabricação aditiva ao combustível nuclear, que começou em 2015, está focada em componentes de montagem de combustível de aço inoxidável e ligas à base de níquel. Em 2021, o primeiro fixador de canal de montagem de combustível de aço inoxidável impresso em 3D criado pela Framatome em colaboração com o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) foi carregado em uma usina nuclear comercial BWR nos EUA. Os especialistas em combustíveis da Framatome na França, Alemanha e EUA desenvolveram esta tecnologia em estreita colaboração com clientes em todo o mundo.
AM para fissão nuclear de próxima geração
As coisas estão agora avançando um pouco mais rápido na indústria nuclear – uma grande mudança em relação ao passado – especialmente no que diz respeito aos pequenos reatores modulares (SMR), que são versões reduzidas de reatores nucleares, incluindo a geração atual e IV (reatores rápidos de nêutrons). ) tecnologia.
Vários projetos de microrreatores estão em desenvolvimento nos Estados Unidos e podem estar prontos para serem lançados nesta década. Estes reatores compactos serão suficientemente pequenos para serem transportados por caminhão e poderão ajudar a resolver desafios energéticos em diversas áreas, desde locais comerciais ou residenciais remotos até bases militares.
Os microrreatores não são definidos pela sua forma de combustível ou refrigerante. Em vez disso, são caracterizados por três características principais. A primeira, e a razão pela qual a MA poderia entrar significativamente em ação, é que elas são fabricadas em fábrica: todos os componentes de um microrreator seriam totalmente montados em uma fábrica e enviados para o local. Isto elimina as dificuldades associadas à construção em grande escala, reduz os custos de capital e ajudaria a colocar o reator em funcionamento rapidamente.
Outra característica é que eles são transportáveis. Isso tornaria mais fácil para os fornecedores transportar todo o reator por caminhão, navio, avião ou vagão. Eles também são autoajustáveis, o que significa que conceitos de design simples e responsivos permitirão que os microrreatores se autoajustem. Eles não exigirão um grande número de operadores especializados e utilizarão sistemas de segurança passiva que evitam qualquer potencial de superaquecimento ou derretimento do reator.
Os projetos de microrreatores variam, os SMRs são definidos como produzindo até 300 megawatts (MW) de potência, enquanto os reatores modulares muito pequenos (vSMRs) ou microrreatores produzem até 20 MWs de potência por módulo. Eles podem ser usados para gerar eletricidade limpa e confiável para uso comercial ou para aplicações não elétricas, como aquecimento urbano, dessalinização de água e produção de combustível de hidrogênio.
Além da integração perfeita com energias renováveis nas microrredes, os microrreatores também podem ser usados para uma resposta de emergência para ajudar a restaurar a energia em áreas atingidas por desastres naturais. Eles também terão uma vida útil mais longa, operando por até 10 anos sem reabastecimento. A maioria dos projetos exigirá combustível com maior concentração de urânio-235 que não é usado atualmente nos reatores atuais. No entanto, alguns podem beneficiar da utilização de materiais moderadores de alta temperatura que reduziriam os requisitos de enriquecimento de combustível, mantendo ao mesmo tempo o pequeno tamanho do sistema.
O Departamento de Energia dos EUA apoia uma variedade de projetos de reatores avançados, incluindo conceitos de gás, metal líquido, sal fundido e resfriamento por tubo de calor. Os desenvolvedores de microrreatores fabricados nos Estados Unidos estão atualmente focados em projetos refrigerados a gás e a tubos de calor que podem ser lançados já em meados da década de 2020.
A Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC), uma empresa totalmente controlada pelos EUA com sede em Seattle, é líder global na implantação de micro reatores e um integrador vertical de tecnologias de energia nuclear. A empresa está comprometida em levar energia nuclear segura, comercialmente competitiva, limpa e confiável aos mercados de energia em todo o mundo.
A USNC está demonstrando Sistemas de Energia MMR nos Laboratórios Nucleares Canadenses em parceria com a Ontario Power Generation e na Universidade de Illinois, e iniciou novos projetos para implantar ainda mais sua tecnologia nos Estados Unidos, Canadá e Europa. A empresa adere a rigorosos princípios de segurança inerentes e intrínsecos através da inovação tecnológica em combustíveis, materiais e design.
Mais de uma dúzia de países em todo o mundo estão agora a colaborar numa corrida global rumo à Geração IV – conceitos de próxima geração em energia nuclear vistos como vitais para o fornecimento de energia isenta de carbono a um mundo com procuras cada vez maiores de eletricidade.
Embora as fontes renováveis, como a solar e a eólica, continuem a crescer, a sabedoria convencional criou raízes nos círculos energéticos de que a energia nuclear é isolada como uma fonte de energia de base fiável, que funciona continuamente para satisfazer o nível mínimo de procura de energia, 24 horas por dia, 7 dias por semana, sem consequências ambientais negativas. . Neste ambiente, a USNC, com sede em Seattle, está liderando o caminho, aproveitando novos métodos de impressão 3D para fornecer designs totalmente novos que proporcionam desempenho ideal em materiais exclusivos.
A abordagem do USNC está centrada no uso de combustível totalmente cerâmico microencapsulado (FCM). Para produzir esse combustível, a empresa utiliza impressoras 3D de jato de ligante X-Series da Desktop Metal. Essas impressoras são capazes de imprimir partículas cerâmicas em 3D que são resistentes ao calor e podem envolver um tipo padrão de partícula de combustível nuclear.
A aplicação do jato de ligante é uma parte crucial do processo de fabricação de combustível do USNC, que é vital para a inovação da organização. Esta abordagem está ganhando impulso à medida que os testes do combustível FCM do USNC estão atualmente em andamento pelo Grupo de Pesquisa e Consultoria Nuclear na Holanda (NRG Petten). Além disso, através da sua joint venture Global First Power, o USNC está trabalhando para implantar seu primeiro MMR no Chalk River Laboratories, um local de propriedade da Atomic Energy of Canada Limited e administrado pelos Canadian Nuclear Laboratories. Esforços estão sendo feitos para obter uma Licença para Preparar o Local da Comissão Canadense de Segurança Nuclear (CSNC).
Com base em uma tecnologia originada na década de 1960, a Ultra Safe Nuclear produz partículas de combustível revestidas em menor escala, conhecidas como TRISO na indústria. TRISO é um combustível de partículas isotrópicas triestruturais que está ressurgindo no desenvolvimento de reatores nucleares da Geração IV. Estas microesferas de combustível são normalmente colocadas numa matriz grafítica macia. No entanto, esta matriz carecia de resistência estrutural e não conseguiu prevenir eficazmente a libertação de radionuclídeos.
Para resolver isso, o USNC substituiu a matriz grafítica por um material cerâmico refratário chamado carboneto de silício (SiC). SiC é um material cerâmico técnico conhecido por sua excepcional estabilidade ambiental e é comumente usado em aplicações aeroespaciais, blindadas, de proteção de plasma e de alta temperatura. As condições dentro de um reator nuclear são extremamente duras, mas o SiC não encolhe nem incha excessivamente como a matriz grafítica tradicional. Também exibe alta resistência à oxidação e corrosão, tornando-o altamente estável sob as condições exigentes do núcleo de um reator nuclear.
No entanto, fabricar ou transformar SiC em peças complexas sempre apresentou desafios. Por muitos anos, apesar do interesse da indústria em utilizar carboneto de silício, não havia nenhum processo de fabricação viável ou econômico para transformar SiC altamente puro, cristalino e de grau nuclear nos formatos e formatos necessários para aplicações nucleares. Isto é, até o advento das impressoras 3D.
Ao empregar tecnologia de impressão 3D, o USNC pode criar formas de combustível SiC com geometrias complexas que servem como invólucros para as partículas de combustível nuclear. O carboneto de silício é frequentemente infiltrado com silício ou outras matrizes para aumentar a sua densidade, mas isto não é viável num ambiente nuclear. Para manter a uniformidade e homogeneidade do material, o USNC combina jateamento de ligante com infiltração de vapor químico. Este processo preenche a estrutura porosa do SiC com carboneto de silício cristalino de alta pureza, permitindo a realização de formas altamente complexas e quase líquidas, sem a necessidade de sinterizar o material SiC, aplicar pressão ou introduzir fases secundárias.
Além de sua eficiência de produção, a estratégia de fabricação da USNC com impressão 3D a jato de ligante permite a otimização do desempenho do reator, capitalizando a liberdade de design proporcionada pela impressão 3D . Anteriormente, a equipe estava limitada a um único projeto produzido em grandes quantidades usando ferramentas pesadas. Devido à natureza cara das ferramentas e aos longos prazos para fazer alterações, os projetistas procuraram criar um projeto genérico, mas eficiente. No entanto, com a capacidade de criar designs únicos em grandes quantidades utilizando impressão 3D, o USNC pode melhorar a garantia de qualidade da sua missão de fornecer energia nuclear segura e responsável. Para saber mais acesse o site.
