AM wird nuklear: USNC darüber, wie es den 3D-Druck zur Herstellung seines FCM-Brennstoffs nutzt

Aug 06, 2023

„Unsere Mission ist zuverlässige Energie überall“, beginnt Dr. Kurt Terrani.

Der ehemalige Nationale Technische Direktor beiOak Ridge National Laboratory(ORNL) spricht mitTCTin seiner letzten Rolle als Direktor bei SeattleUltra Safe Nuclear Corporation (USNC). Er glaubt, dass USNC auf dem neuesten Stand der Entwicklung von Kernbrennstoffen und Reaktoren ist und die kommerzielle Verfügbarkeit von vollkeramik-mikroverkapseltem (FCM) Brennstoff einen „Wendepunkt in der kohlenstofffreien Energieerzeugung“ in den USA und darüber hinaus darstellen wird .

Die Ambitionen des Unternehmens zu unterstützen istExOnes Binder-Jetting-Technologie, die einen wichtigen Schritt bei der Herstellung des FCM-Brennstoffs von UNSC ermöglicht. USNC arbeitet mit zwei Wertversprechen. Das erste sind Kernreaktorkonstruktionen, die grundsätzlich sicher sind, solange die Schwerkraft vorhanden ist und heiße Flüssigkeit nach oben steigt, während kalte Flüssigkeit nach unten geht. Und das zweite ist die FCM-Brennstoffform, die mehrere Hindernisse für die Freisetzung von Radionukliden mit sich bringt und so die nukleare Sicherheit gewährleistet.

FCM sieht branchenüblichen TRISO-Brennstoff, der die radioaktiven Nebenprodukte der Spaltung in geschichteten Keramikbeschichtungen enthält und von einer vollständig dichten Karbidmatrix umgeben ist. Terrani erklärt: „Das ganze Spiel besteht darin, die Strahlung im Kern des Kernreaktors zu halten. In einigen der [konventionellen] Konstruktionen bauen sie große Behälter und große Sicherheitskuppeln aus Beton, [aber] diese Leute haben schon vor langer Zeit entschieden, wann sie diese Last abwälzen.“ den Treibstoff selbst, also stellten sie kleine Treibstoffpartikel her – etwa einen Millimeter im Durchmesser – und legten verschiedene keramische Beschichtungsschichten um sie herum.“

In der Vergangenheit wurden Kraftstoffpartikel möglicherweise in einen Kohlenstoffkleber eingebracht, der kleine Druckbehälter zusammenhält. Es wird jedoch nicht davon ausgegangen, dass dies „große Vorteile bei der Freisetzung von Radionukliden“ bietet. Das Ziel der USNC ist es, diese Freisetzung einzudämmen, und um dies zu erreichen, hat sie versucht, Kraftstoffpartikel in Siliziumkarbidhüllen zu platzieren, die mechanisch, thermisch und umweltstabil sind. Bisher war die Herstellung von hochreinem Siliziumkarbid eine Herausforderung, aber die additive Fertigung gilt als die Schlüsseltechnologie, die den Übergang am USNC erleichtert.

„Der Goldstandard besteht darin, das Material bei sehr hohen Temperaturen – über 2.000 °C – zu sintern oder diesen Prozess namens chemische Gasphasenabscheidung durchzuführen, der extrem teuer ist“, sagt Terrani. „Dann bekommt man große Materialbrocken, die bearbeitet werden müssen. Das ist eine weitere Herausforderung, denn das Einzige, was Siliziumkarbid schneiden kann, ist Diamant, also stürzt man sich in dieses Spiel mit extrem teurem Material und extrem teurer Bearbeitung. Jeder, der hinschaut.“ Daraufhin beschließt er schließlich, wegzugehen. Nun ja, wir konnten nicht weggehen. Siliziumkarbid ist ein Material, das wir in unserem Wertversprechen brauchen.“

Der Binder-Jet-3D-Druck ist hier die Lösung, da er Materialien bei Raumtemperatur verarbeiten kann – Siliziumkarbid würde bei höheren Temperaturen zu dissoziieren beginnen, sodass Prozesse, die einen Elektronenstrahl oder Laserstrahl verwenden, ausgeschlossen werden können.

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„Wir verwenden einen Binderstrahl, um Siliziumkarbid in äußerst komplexen Strukturen zu formen. Das Einzigartige an dieser Technik ist, dass sie Ihnen die volle 3D-Freiheit bietet“, fährt Terrani fort. „Bei der Additivierung gibt es oft einen bestimmten Raum, in dem man Teile herstellen kann, aber mit Binder Jet ist jede Art von Geometrie erreichbar. Also nehmen wir dieses Siliziumkarbid, hochporös, und bringen es zu einem anderen Prozess namens „ chemische Dampfinfiltration. Wir haben einen Körper, der aus miteinander verklebten Siliziumkarbidpartikeln besteht. Wir wählen sehr reines, hochkristallines Siliziumkarbid – denn das ist es, was wir für unsere Anwendung wollen – und dann verschwindet die kleine Menge Bindemittel wenn man es erhitzt. Dann lagert man durch chemische Dampfinfiltration mehr Siliziumkarbid in den Poren ab.“

Während des chemischen Dampfinfiltrationsprozesses werden die Siliziumkarbidstrukturen in den Ofen gegossen, wobei mehr Siliziumkarbid verwendet wird, um den gesamten offenen Raum zu füllen. Das Ergebnis ist ein „relativ dichtes, an der Oberfläche vollständig versiegeltes, starkes und hochreines Siliziumkarbid in sehr komplexer Geometrie“, das die Schalen bildet, die Teil der FCM-Brennstoffform des USNC werden. Für die Tausenden von Brennelementen, die aus den Binder-Jet-3D-Druckern von ExOne kommen, werden während des Druckprozesses einzigartige Barcodes integriert, um USNC die Qualitätskontrolle zu ermöglichen. Von außen sehen diese Elemente wie ein Brocken Siliziumkarbid aus, doch im Inneren wurden die Treibstoffpartikel auf eine ganz besondere Weise angeordnet, um gegebenenfalls Kühlkanäle zu integrieren.

Diese Brennstoffpartikel werden dann in den Micro Modular Reactor (MMR)-Energiesystemen des USNC verwendet, die Helium als Inertgas verwenden, da es nicht chemisch mit den Brennstoff- oder Reaktorkernkomponenten reagiert. USNC ist davon überzeugt, dass sein MMR-Design die niedrigste Leistungsdichte und das höchste Verhältnis von Oberfläche zu Leistung aller jemals kommerzialisierten Reaktoren aufweist. Wenn mehrere MMR-Systeme miteinander verbunden werden, können sie Chemiefabriken, große Industriestandorte, abgelegene Gemeinden und ganze Städte mit Strom versorgen. Derzeit laufen Tests in einem niederländischen Reaktor, und in Kanada laufen fortgeschrittene Lizenzen für erste Anwendungs- und Demonstrationseinheiten, die 2026 für die erste Kernenergie vorgesehen sind.

USNC

In der USNC-Einrichtung.

Während USNC die Entwicklung seiner MMR-Systeme und FCM-Brennstoffform vorantreibt, die für die zukünftige Implementierung bereit sind, rechnet das Unternehmen damit, in weitere ExOne-Binder-Jet-Systeme zu investieren. Derzeit läuft sowohl die X160Pro-Maschine, die zum Drucken großer Strukturen ohne Treibstoff verwendet wird, als auch die X25Pro zur Herstellung der Strukturen, in die der Treibstoff integriert ist. USNC verfügt außerdem über eine Abteilung für fortschrittliche Technologie, die sich auf Raumfahrt- und Antriebsanwendungen konzentriert und sich auch auf die firmeneigene 3D-Druckkapazität stützt. Einige Maschinen arbeiten mit Siliziumkarbid, andere mit Zirkoniumkarbid, wobei nach dem Druck der gleiche chemische Dampfinfiltrationsprozess stattfindet.

„Mit diesen Maschinen leisten wir nukleare Qualitätsarbeit“, sagt Terrani. „Sobald es mit einer bestimmten Art von Pulver geht, wirst du für immer nicht mehr verändert. Wir werden nicht wechseln, auch wenn die Systeme so konzipiert sind. [Mit] den strengen Anforderungen an die nukleare Qualität, die uns auferlegt werden, müssen wir beibehalten.“ Die Systeme sind sehr sauber und einem ganz bestimmten Prozess gewidmet. Deshalb haben wir mehrere Systeme; für verschiedene Komponenten und auch verschiedene Keramikkarbide, die sich für unsere unterschiedlichen Designs eignen.“

Terrani glaubt, dass frühere Reaktorkonstruktionen beispielsweise durch die Zwänge herkömmlicher Herstellungsverfahren beeinträchtigt wurden, und verweist auf die Anordnung der Stäbe, aus denen herkömmliche Leichtwasserreaktoren bestehen, die nur einheitlich hergestellt wurden, weil die Hersteller ihre Werkzeuge nicht ändern wollten für jede Rute. Die additive Fertigung bietet hier eine Lösung für UNSC, ebenso wie bei den Siliziumkarbidschalen für die FCM-Brennstoffform.

Heute ist USNC zuversichtlich, alle wichtigen Forschungs- und Entwicklungshürden auf seinem Weg überwunden zu haben und beginnt nun mit der Entwicklung, Lizenzierung und Bereitstellung. Da sich der Klimanotstand verschärft, steigt der Bedarf an saubererer und zuverlässigerer Energie. Der USNC begann seine Mission im Jahr 2011, im selben Jahr, in dem alle Stromgeneratoren des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi bis auf einen durch einen Tsunami zerstört wurden. Es war der schwerste Atomunfall seit der Katastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986, bei dem 154.000 Menschen evakuiert werden mussten.

Obwohl diese Vorfälle selten und unvorhergesehen waren, schadeten sie dem Ruf der Kernenergie erheblich. Viele Standorte wurden in der Folge stillgelegt, während sich Organisationen wie Greenpeace seit langem gegen die Nutzung der Kernenergie einsetzen. Aber durch Fortschritte in der Technologie, die seine MMR und FCM antreibt – und die Betonung des geringen CO2-Ausstoßes der Kernenergie – spürt USNC einen möglichen Wandel in der Stimmungsmusik und ist einer derjenigen, die einen modernen und effizienteren Reaktor vorantreiben durch neueren und saubereren Kraftstoff.

„Der Klimawandel steht vor der Tür“, schließt Terrani. „Jeder, der sagt, dass es eine Lösung gibt, ist meiner Meinung nach unaufrichtig, aber Kernenergie ist eindeutig ein sehr wichtiger Teil davon. Schauen Sie sich die Kernenergie an, wie sie heute verfügbar ist. Es handelt sich um Konstruktionen aus den 1950er und 1960er Jahren, die ein wenig modifiziert wurden.“ die 70er und 80er Jahre. Es gibt zwei Dinge, die nicht mit unserer Situation im Jahr 2022 übereinstimmen. Erstens sind sie wirtschaftlich gesehen sehr teuer – Sie sprechen davon, 10 bis 20 Milliarden Dollar auszugeben, um eines dieser Dinge zu bauen – Und zweitens war die Sicherheitsphilosophie eine andere. In den 50er und 60er Jahren wurden einige Grenzszenarien entwickelt und gesagt: „Wir werden sicherstellen, dass der Reaktor unter diesen Grenzszenarien sicher ist […] und alles darüber hinaus, wir.“ Kümmere dich nicht darum.' Und ich spreche nicht von den östlichen Entwürfen, die selbst diese Grundprinzipien außer Acht ließen, wie etwa Tschernobyl.

„Die Prinzipien des Designs und der Philosophie sind überholt, und aus wirtschaftlicher Sicht ist die Kernenergie in ihrer bisherigen Form dem Untergang geweiht. Das ist eine Ausrede. Kernenergie gibt es nicht, weil die Anbieter sie nicht anbieten können.“

von Sam Davies

3. Januar 2023

10:00