Ввод ядерного реактора в эксплуатацию занимает годы. Атомная энергетика разветвляется на сотни направлений, где каждое: от разделения изотопов урана до выбора теплоносителя — повод защитить кандидатскую. Можно ли говорить об упрощении технологий и наращивании темпов производства с помощью 3D-печати в одной из самых сложных областей науки? Американские ученые говорят: «Почему нет?» и предлагают, затаив дыхание, ждать первый в мире реактор с напечатанной на 3D-принтере активной зоной.
Исследователи печатают на принтере и детали аппаратов ИВЛ ,автомобили и даже коралловые рифы, которые будут «жить» потом в дикой природе. Если есть сфера, не тронутая пока технологией объемной печати, то это атомная энергетика.
Когда речь заходит о ядерном реакторе, консерваторы довольно потирают руки. «Ха-ха, — ухмыляются они, — Здесь у нас все серьезно и старомодно! Идите-ка вы с вашими инновациями… в космическую отрасль!» Объемная печать послушно направилась в аэрокосмическую область, где ее тепло приняли и создали ракету с помощью 3D-принтера. Почему же инновации неохотно проникают в атомную сферу, которая сама по себе является гигантским прорывом человечества на пути к дешевой энергии и считается довольно юной. Молодое поколение легче встречает перемены. Что не так с атомной энергетикой?
Инженеры продолжают разрабатывать, строить и вводить реакторы в эксплуатацию. Но большинство из конструкций не являются совершенно новыми. В лучшем случае, это модифицированные конструкции реакторов, которые были придуманы десятилетия назад. Концепции работают. Проблема в том, что строительство АЭС вряд ли назовешь дешевым и быстрым. Себестоимость реактора делает дороже конечный продукт, за которым гоняются ученые и изобретатели не одно столетие подряд — энергию.
Команда физиков, инженеров и компьютерщиков из Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси под руководством технического директора Курта Террани всерьез взялась за модернизацию ядерного реактора. Ученые разработали проект реактора Transformational Challenge Reactor или TCR, активная зона которого будет полностью напечатана на 3D-принтере. Изготовление займет не больше нескольких недель.
Активная зона — сердце любого реактора. Это место, где происходит таинство управляемой реакции деления ядер урана — тяжелейшего существующего в природе элемента таблицы Менделеева. Урановое топливо в тепловыделяющих сборках в форме стержней помещается цилиндрический объем с отверстиями. В отверстия такого же диаметра погружаются стержни, поглощающие и замедляющие нейтроны. Нейтроны испускаются из ядер в ходе реакции деления и запускают следующие реакции. Контроль числа свободных нейтронов не дает реактору взорваться, как атомная бомба.
Активная зона из чрезвычайно прочного и тугоплавкого карбида кремния, напечатанная на 3D-принтере, позволит еще больше повысить рабочую температуру, которую разработчики увеличили за счет смены теплоносителя. Воду в одном из самых старых типов реактора заменили на гелий. Температуру внутри активной зоны благодаря модификации можно повысить до 650 градусов по Цельсию. Высота активной зоны составит менее полуметра — не больше пивной бочки.
В чем, помимо температуры активной зоны и преимущества в скорости изготовления, выгодна 3D-печать? Специалисты Оук-Ридж разработали извилистую сеть из чрезвычайно узких каналов охлаждения. Такую трудно изготовить любым другим методом, кроме 3D-печати. Объемные принтеры выстраивают объект, склеивая слой за слоем, что позволяет инженерам чудить с дизайном и создавать ранее невозможные конструкции. Скучной симметричной геометрии пришел конец!
Еще одно преимущество — контроль. В обычном реакторе поведение активной зоны оценивается извне. Новые дизайны с поддержкой 3D-печати позволят встроить датчики, которые будут предоставлять данные непосредственно из активной зоны.
Остальные части TCR будут, в основном, изготовлены из обычных компонентов. Ректор планируют запустить в 2023 году. Считанные годы — вот то, что разделяет первые примитивные фигурки, совсем недавно создаваемые на 3D-принтере, и сложнейшую конструкцию активной зоны настоящего атомного реактора.