Напечатанный на 3D-принтере ядерный реактор, сможет открыть эру передовых коммерческих атомных электростанций, которые производят безуглеродную электроэнергию по цене, конкурентоспособной с газотурбинными электростанциями.
На это рассчитывает Курт Террани, директор демонстрационной программы реактора трансформации в Окриджской национальной лаборатории. На встрече ORNL в рамках программы Zoom он рассказал о прогрессе, достигнутом программой в направлении строительства возможного 14-го реактора на ORNL к 2023 году.
В отличие от других отраслей, как утверждает Террани, «атомная промышленность - это отрасль, которая не смогла внедрять новые технологии, так как Соединенные Штаты не строили никаких современных реакторов в течение последних 40 лет».
Новые технологии включают в себя аддитивное производство (3D-печать деталей путем построения их слой за слоем в форме, управляемой компьютерной программой) и искусственный интеллект (предоставление компьютеру данных для выявления тенденций и прогнозирования на основе этих данных).
Исследователи программы TCR совершенствуют конструкцию активной зоны ядерного реактора, напечатанную на 3D-принтере; расширяют процесс аддитивного производства, необходимый для ее создания; разрабатывают методы использования искусственного интеллекта (ИИ) для подтверждения надежности печатных компонентов.
В рамках исследовательской программы ORNL используется три объекта - источник нейтронов расщепления, реактор изотопного потока с высоким потоком (единственный действующий исследовательский реактор ORNL) и суперкомпьютер Summit. Все работы финансируются Управлением ядерной энергии Министерства энергетики США.
AM (аддитивное производство) позволяет изготавливать металлические и керамические компоненты любой сложности и использовать новые материалы. Конструкции датчиков термопары и оптические волокна встраиваются, чтобы контролировать состояние реакторной системы и обеспечивать автономную работу.
Атомные электростанции с легководными реакторами строятся 10 лет, их установка и эксплуатация обходятся дорого. За последние 20 лет только одна атомная электростанция была построена в США, а более половины американских реакторов будут выведены из эксплуатации в течение ближайших 20 лет, после окончания лицензии. Цель программы TCR, утверждает Террани, «показать, что с помощью современных технологий можно быстрее построить реактор дешевле и лучше».
Ссылаясь на 77-летнюю историю ORNL в области исследований и разработок (НИОКР) ядерных реакторов, Террани отметил, что на строительство графитового реактора, первого в мире реактора непрерывного действия, потребовалось девять месяцев. На большинстве 400 атомных электростанций в мире сегодня эксплуатируются реакторы с водой под давлением (PWR), основанные на концепции бывшего директора ORNL Элвина Вайнберга - использование воды под давлением в качестве теплоносителя и замедлителя (для замедления нейтронов) для реактора, использующего уран, слегка обогащенный U-235.
Услышав в 1946 году о концепции Вайнберга реактора с водой под давлением от общего знакомого, капитан ВМС Хайман Риковер (Hyman Rickover) решил построить PWR, чтобы обеспечить энергией первую атомную подводную лодку, разработку которой он возглавлял. Он также руководил строительством первой наземной электростанции PWR в Шиппорте, штат Пенсильвания. Именно тогда началась история ядерной энергетики США, которая сегодня обеспечивает 20% электроэнергии в стране и является крупнейшим источником энергии без выбросов углерода. Атомная подводная лодка «Наутилус» и АЭС эксплуатировались с 1950-х годов.
Исследователи ORNL показали, что корпус высокого давления из нержавеющей стали может быть напечатан на 3D-принтере, как и ядерные тепловыделяющие сборки, составляющие активную зону реактора. Высота реактора составит два с половиной фута.
Демонстрационный микрореактор будет пассивно безопасным и надежным. Он будет производить три мегаватта тепла, охлаждаться гелиевым газом, а в качестве замедлителя будет использоваться гидрид иттрия. Ядерное топливо будет представлять собой нитрид урана TRISO (трехструктурный изотропный) топливные частицы, каждая из которых размером с маковое зернышко, способны удерживать продукты деления. Уран будет обогащен от 5% до 20% по U-235. Разработанное в ORNL топливо будет входить в состав топливных блоков из карбида кремния с трехмерной печатью.
Завершение пятилетнего проекта TCR зависит от «указаний спонсора DOE и формулировок Конгресса». Министерство энергетики только что объявило о планах на строительство, по крайней мере, одного усовершенствованного реактора в штате Вашингтон. Он будет использовать топливо TRISO ORNL.
Программа TCR уже предоставляет инструменты для атомной отрасли. ORNL сотрудничала с французским поставщиком ядерного топлива Framatome, чтобы впервые изготовить на 3D-принтере детали для коммерческого легководного реактора. Детали были доставлены на атомную электростанцию Browns Ferry, принадлежащую Администрации долины Теннесси в Алабаме.