Reactores nucleares de impresión 3D para diversión y beneficio

Durante las últimas décadas, la fabricación adicional (AM, también conocida como impresión 3D) se ha vuelto cada vez más común en los procesos de fabricación. Aunque es extremadamente útil en la creación de prototipos de nuevos productos al permitir tiempos de respuesta rápidos entre el diseño y las pruebas, hoy en día la fabricación adicional se usa cada vez con más frecuencia en la producción de todo, desde pequeñas líneas de productos, desde carcasas personalizadas hasta piezas de maquinaria dura para motores de cohetes.

La ventaja obvia de la fabricación adicional es que utilizan equipos generales y materiales comunes como insumos, sin requerir moldes costosos como en el caso del moldeo por inyección o el mecanizado extensivo y derrochador de materias primas en torno, molino y equipos similares. Todo, desde la fabricación, se reduce a un modelo 3D como entrada, uno o más materiales de entrada y el dispositivo real que convierte el modelo 3D en un artículo físico con un desperdicio muy limitado.

En la energía nuclear, estas ventajas no han pasado desapercibidas, lo que ha provocado que se desarrollen piezas impresas en 3D para todo, desde la conservación de las plantas existentes hasta la mejora del procesamiento del combustible gastado e incluso la impresión de reactores nucleares completos.

No es su impresora FDM habitual

Como cualquiera que haya usado una impresora 3D que pueda imprimir PLA, ABS o usar una resina sensible a los rayos UV (SLA), puede ser difícil superar la imagen de costo de la mayoría de las piezas que se pueden fabricar de esa manera. Desde reemplazar un engranaje de nailon roto en servicio hasta imprimir un gabinete personalizado para una nueva PCB, el proceso es más rápido y económico que fabricarlo de la manera tradicional, siempre y cuando solo se requiera un par de cosas como máximo.

Relativity Space imprime su motor Aeon [via Vimeo]Aquí, la industria aeroespacial, desde la NASA hasta las nuevas industrias espaciales, realmente se ha calentado utilizando un aditivo para la creación de prototipos y la producción. Cuando se trata de motores de cohetes y las innumerables piezas, incluidas las turbobombas y las válvulas que funcionan, la impresión 3D es perfecta cuando cada motor prototipo es diferente y la producción es de unos pocos cientos al año, como es el caso del motor Merlin 1D que impulsa el SpaceX. Cohete Falcon 9. Las empresas emergentes como Relativity Space calculan que AM será un cambio de juego para la industria espacial.

Por supuesto, en este momento ya no estamos hablando de una impresora FDM de $ 2,000 (o menos) que imprime algunas piezas de PLA o ABS, o incluso una de esas impresoras SLA de lujo que pueden costar tanto como un automóvil nuevo. Para imprimir piezas de aluminio e incluso de titanio, se necesita una impresora SLM (Selective Laser Fusion) o una impresora de Metal Laser Fusion (DMLM) recta similar. Esto sigue siendo un paso más allá de las impresoras SLS (sinterización selectiva por láser), que unen el material (por ejemplo, nailon, metal, cerámica o vidrio), pero sin fundirlo.

SLM se puede representar como impresión SLA, excepto que la dirección de impresión se invierte, con polvo de metal fresco agregado en la parte superior de la parte impresa para que el láser pueda derretir este polvo y agregar otra capa. Esto tiene lugar en una cámara sellada que está llena de gas inerte para evitar la oxigenación. Como uno podría haber adivinado, las máquinas para SLM cuestan más en el orden de una casa entera.

Para fines de comparación, el sitio web de All3DP enumera cuánto cuesta el modelo estándar "Benchy" cuando se imprime con varios metales:

  • Metal Plástico: $ 22.44 (antes "Alumido", PLA con aluminio)
  • Acero inoxidable: $ 83,75 Recubierto
  • Bronce: $ 299.91 (sólido, pulido)
  • Plata: $ 713.47 (sólido, pulido espejo)
  • Oro: $ 87,75 (chapado en oro, pulido)
  • Oro: $ 12,540 (oro macizo de 18 k)
  • Platino: $ 27,314 (sólido, pulido)
  • Iranta Nuclear

    Pasar del infierno térmico, que es un motor de cohete, al ambiente relativamente suave, pero quizás más irradiado, de un reactor nuclear es un salto lógico para la AM. Si bien los reactores nucleares se benefician de las economías de escala cuando se construyen cuantitativamente, las últimas décadas han visto economías casi desaparecidas en naciones que anteriormente tenían una industria nuclear fuerte, como Estados Unidos.

    Cuando los antiguos gigantes nucleares como Estados Unidos y Francia intentaron volver al juego con el EPR en el caso de este último, y AP1000 en el caso del primero, se encuentra cuando se construyen las mismas plantas en China (con un fuerte industria nuclear nacional), y el AP1000 (4 reactores) y el EPR (2 reactores) terminaron conectándose a la red años antes de que lo hicieran los primeros reactores de los países que los diseñaron. Irónicamente, los refrigerantes producidos en EE. UU. En el AP1000 también demostraron repetidamente fallas.

    Un gran problema con cualquier proyecto de infraestructura importante es el de la experiencia y las cadenas de suministro. Cuando los países construyen y mantienen con regularidad plantas de energía nuclear, mantienen tanto las cadenas de suministro como la experiencia necesaria para operarlas. Cuando una nación deja de construir nuevas plantas de energía nuclear durante décadas, estas cadenas de suministro desaparecen y la experiencia desaparece. Si bien es posible reconstruir la capacidad de fabricación y la capacidad para nuevas plantas de energía nuclear, este es también el punto al considerar diferentes enfoques de fabricación más eficientes.

    Para volver a hacer que la industria nuclear de EE. UU. Sea competitiva con países como Canadá, Rusia y Corea del Sur, el Departamento de Energía de EE. UU. Ordenó al Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) que lidere el programa Transformational Challenge Reactor (TCR). Su objetivo es "demostrar un enfoque revolucionario para el despliegue de nuevos sistemas de energía nuclear". Básicamente, el objetivo es imprimir tanto microrreactor 3D como sea posible, como demostración de las posibilidades que ofrece AM aquí.

    Procesando los detalles

    Junto con el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL), ORNL profundiza en los muchos detalles que trae dicho cambio en la fabricación, especialmente considerando los estrictos requisitos de los materiales utilizados en o sobre un reactor nuclear. Preguntas tales como cómo la AM afecta las propiedades de fluencia y fatiga de dichos materiales, en relación con las piezas fabricadas tradicionalmente. Algunos resultados de estos estudios de ANL se analizan en un artículo reciente que da una buena impresión de la cantidad de trabajo que estudia la viabilidad de este enfoque.

    ANL ha publicado anteriormente resultados sobre la impresión SLM y el uso de películas de video de rayos X de alta velocidad para capturar los detalles más finos de lo que sucede durante este proceso. Una cosa importante que encontraron es la del flujo de aire inducido, que provoca la succión de material más frío en el metal fundido. Estas manchas de material más frío acaban provocando defectos en el producto final.

    Como se cubre en la hoja de información de TCR y en el sitio de ORNL TCR, el microrreactor usaría partículas de combustible TRISO (nitruro de uranio), un moderador de neutrones de hidruro de itrio y el núcleo impreso en 3D, hecho de carburo de silicio y acero inoxidable. El reactor estaría enfriado con helio, lo que lo haría bastante único, ya que la mayoría de los proyectos de reactores actuales utilizan agua, agua pesada o sodio como refrigerante.

    Debido a que el programa TCR es bastante nuevo (primera edición en 2019), es difícil evaluar el progreso correcto o tener una idea sólida de lo que uno podría esperar de él. Podría ser útil aquí analizar lo que se ha logrado hasta ahora en relación con la integración de AM en la industria nuclear.

    AM en energía nuclear hasta ahora

    Hoy en día, las únicas partículas impresas en 3D que lo han transformado en reactores nucleares han sido piezas bastante simples. En 2017, Siemens reemplazó el rotor de metal de 108 mm en una bomba de protección contra incendios en la planta de energía de Krško en Eslovenia con una copia impresa en 3D. El fabricante original de la bomba ha desaparecido desde que se instaló alrededor de 1980.

    Westinghouse también está trabajando en esta área, instalando recientemente un dispositivo de enchufe de dedal impreso en 3D en Byron Unit 1 de Exelon. Este tipo de dispositivo retiene los combustibles a medida que se bajan al reactor. Gran parte de esta instalación es para ver cuál es el impacto a largo plazo del entorno del reactor en el material impreso en 3D, en comparación con los componentes fabricados tradicionalmente.

    Envolvente

    Está claro que la impresión 3D tiene un futuro brillante en la fabricación. Para la industria nuclear, no solo ofrece una buena manera de producir piezas de repuesto para un reactor que tiene más de sesenta años, con al menos la mitad de los proveedores originales desaparecidos o que han cambiado de inventario. Junto con una serie de otras nuevas tecnologías de fabricación, también ofrece nuevas e interesantes posibilidades en lo que respecta a las nuevas generaciones de reactores nucleares, ya sean fisionados o fusionados.

    Desde la aceleración de la creación de prototipos de nuevos reactores y conceptos, hasta la capacidad de los reactores para operar comunidades remotas y futuras colonias de la Luna y Marte, sin tener que depender de una cadena de suministro complicada, existen muchas ventajas obvias. El costo no importa aquí, ya que producir un reactor de esta manera tendría que ser mucho más barato y podría permitir la fabricación y el montaje locales.

    Obviamente, todo esto es una mala noticia para las personas que no tienen acceso a una impresora SLM o similar, pero quién sabe, tal vez en otros diez años todos estaremos imprimiendo nuestros propios motores de cohetes y elementos de reactores de fusión en casa.

    • CKnopp dice:

      ¡Combinando esto con el combustible limpio LightBridge va al sobrealimentador!

    • Paul Cohen dice:

      ¡Maravilloso!

      • FulmoPhil dice:

        Literalmente, existe un proyecto llamado AMAZE que incluye un esfuerzo para la fusión nuclear:
        https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-24528306

    • RW versión 0.0.3 dice:

      "A la posibilidad de que los reactores operen en comunidades remotas"

      Los Simpson hicieron eso ... los rusos no se arrepienten ... Bueno, creo que Estados Unidos también lo hizo, pero solo en un banco de pruebas en lugar de proporcionar una comunidad real.

    • scott.tx dice:

      la mala noticia es que podrán mantener en funcionamiento reactores de 60 años.

      • CKnopp dice:

        ¿Por qué es tan malo? 🤔

        • FulmoPhil dice:

          ¿Son más difíciles de atrapar si corren?

          También necesitaría una gran red.

          • pelusa dice:

            Lo que tienes que hacer es vincular una piedra a uno de sus piernas, por lo que corren en círculos.

        • Peregrino gris dice:

          No lo es. No tienen las ventajas de proyectos más recientes como la compatibilidad con un ciclo de combustión cerrado, pero siguen siendo más limpias (sí, de verdad) y más seguras (sí, de verdad) que cualquier otra fuente de energía.

          El problema de la construcción de nuevos reactores es el riesgo financiero. Cuando las plantas de gas natural y el gas natural son baratos, y el viento y el sol aún reciben subsidios de los contribuyentes a pesar de la gran cantidad de desechos tóxicos y no tóxicos, los servicios no están dispuestos a invertir en plantas de energía nuclear.

          • Alan dice:

            Dejemos que nuestros tatara-tatara-tatara-tatarabuelos resuelvan los problemas de despilfarro, ¿verdad?

            • Peregrino gris dice:

              De hecho, el ciclo de vida del viento y el sol es lo suficientemente corto como para que nuestros hijos solucionen los problemas de la basura. Los lugares de Europa ya tienen que lidiar con eso, y solo está empeorando.

              Cualquiera que se supone que debe preocuparse por el medio ambiente, pero no apoya la energía nuclear, está mal informado o es intelectualmente deshonesto.

            • Lucas dice:

              El problema ya se habría resuelto si el congreso no hubiera prohibido el procesamiento de combustible nuclear. 96% reciclable, el resto desciende 5 millas en un pozo perforado.

    • CW dice:

      El gas inerte suele estar ahí para evitar explosiones. .

    • Ostraco dice:

      "Como uno podría haber adivinado, las máquinas para SLM cuestan más del orden de una casa entera".

      Haz que impriman una casa de metal.

    • Lucas dice:

      > se encuentra cuando se construyen las mismas plantas en China (con una fuerte industria nuclear nacional), y el AP1000 (4 reactores) y el EPR (2 reactores) terminan conectados a la red años antes que los primeros reactores en las naciones que los diseñó

      Eso es porque los chinos no tienen que lidiar con STUK.

      https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_and_Nuclear_Safety_Authority

      Los franceses fueron a Finlandia e inmediatamente exploraron todos sus planes, hasta que la mitad de sus socios fueron rescatados. Encontraron algunas fallas en el diseño, que dejaron a Olkiluoto y al proyecto hermano en Flamanville después de una década. Mientras tanto, los chinos estaban construyendo por si acaso.

      Lo mismo les sucedió a los soviéticos cuando construyeron el primer reactor nuclear Loviisa para los finlandeses, ya que empezaron a señalar cada tuerca y tornillo que decía "¿Estás seguro de eso?". Es una multitud dura y, como resultado, toda la industria nuclear soviética se ha enfriado y enrojecido. Una ventaja es que si puede sortear su burocracia, lo que queda de su proyecto probablemente sea bastante bueno.

      • pared de plasma dice:

        Trabajé como cajón mecánico para Flamanville, haciendo válvulas de emergencia de alta presión. básicamente actualizando los proyectos de 10 años que carecían de especificaciones. un cliente chino que también participó en el proyecto: pero estas nuevas válvulas son más caras, usaremos la versión anterior. Dejé la industria, así que no sé cuál fue la implementación final, pero eso todavía me asusta.

    • Peter Snell dice:

      Un "tapón de dedo" en un reactor de agua a presión diseñado por Westinghouse (Wx-Rx) es un tapón simple que se introduce en un tubo abierto de combustible. Evita un flujo de agua excesivo que evitaría los combustibles calientes. (es decir, NO es un dispositivo utilizado para 'bajar el combustible en un reactor').

    • Bart dice:

      Antes de imprimir en 3D su propio reactor, recuerde no almacenar demasiadas bobinas de filamento de combustible en una pila ...

Isabella Ortiz
Isabella Ortiz

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