AM が原子力に移行: USNC が 3D プリンティングを使用して FCM 燃料を製造している方法について語る

Aug 06, 2023

「私たちの使命は、どこでも信頼できるエネルギーです」とクルト・テラーニ博士は語り始めます。

元国家テクニカルディレクターオークリッジ国立研究所(ORNL) が語るTCTシアトルに本拠を置く同社のディレクターとしての彼の最近の役割ウルトラセーフ・ニュークリア・コーポレーション (USNC)。 同氏は、USNCは核燃料と原子炉設計の「最先端」に位置しており、完全セラミックマイクロカプセル化（FCM）燃料の商業利用可能化は米国内外での「ゼロカーボンエネルギー生産における分水嶺」となるだろうと信じている。 。

会社の野心を支えるのは、エクスワンの UNSC の FCM 燃料の製造における重要なステップを促進するバインダー ジェッティング技術。 USNC は 2 つの価値提案に取り組んでいます。 1 つ目は、重力が存在し、熱い流体が上部に上昇し、冷たい流体が下部に行く限り、本質的に安全な原子炉の設計です。 そして 2 つ目は FCM 燃料形態であり、放射性核種の放出に対して複数の障壁をもたらし、原子力の安全性を確保します。

FCM は業界標準の TRIISO 燃料を考慮しています。この燃料は層状のセラミック コーティング内に核分裂の放射性副産物が含まれており、完全に高密度の炭化物マトリックス内に包まれています。 テラーニ氏は次のように説明する。「全体の勝負は、放射線を原子炉炉心内に留めておくことだ。[従来の]設計の一部では、大きな容器と大きなコンクリートの格納ドームを建設する[しかし]彼らは、いつその負担を原子炉に移すかをずっと昔に決めていた。燃料自体が燃料なので、直径約1ミリメートルの燃料の小さな粒子を作り、その周りにさまざまなセラミックコーティング層を置きました。」

歴史的には、燃料粒子は小さな圧力容器をつなぎ合わせる炭素接着剤の中に置かれていたかもしれないが、これは「放射性核種の放出に多大な利益」をもたらすとは考えられていない。 この放出を軽減することがUSNCの目標であり、そのために燃料粒子を機械的、熱的、環境的に安定した炭化ケイ素のシェルに入れることを目指してきた。 高純度の炭化ケイ素を製造することはこれまで課題でしたが、積層造形は USNC での移行を促進する実現技術であると考えられています。

「ゴールドスタンダードは、2,000℃を超える超高温で材料を焼結するか、化学蒸着と呼ばれるこのプロセスを実行することですが、[これは]非常に高価です」とテラーニ氏は言う。 「その後、大きな材料の塊ができ、それを機械加工しなければなりません。これがまた課題です。なぜなら、炭化ケイ素を切断できるのはダイヤモンドだけだからです。そのため、非常に高価な材料と非常に高価な機械加工というこのゲームに突入することになります。 「それで、最終的には立ち去ることを決意しました。そうですね、立ち去ることはできませんでした。炭化ケイ素は、私たちの価値提案に必要な材料です。」

バインダー ジェット 3D プリンティングは、室温で材料を処理できるため、ここでの解決策となります。炭化ケイ素は高温で解離し始めるため、電子ビームやレーザー ビームを使用するプロセスは除外できます。

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「私たちはバインダー ジェットを使用して炭化ケイ素を非常に複雑な構造に形成します。この技術のユニークな点は、完全な 3D の自由度が得られることです。」と Terrani 氏は続けます。 「添加剤の場合、多くの場合、部品を作成できる特定のスペースが存在しますが、バインダー ジェットを使用すると、あらゆる種類の形状を実現できます。そこで、この非常に多孔質な炭化ケイ素を使用し、それを次のプロセスと呼ばれる別のプロセスに移します。化学蒸気浸透法です。私たちの体は炭化ケイ素の粒子が互いに接着して構成されています。私たちは非常に純粋で結晶性の高い炭化ケイ素を選びます – それが私たちの用途に必要なものだからです – そうすれば、少量の結合剤はなくなります加熱すると、化学蒸気の浸透によって細孔内により多くの炭化ケイ素が堆積します。」

化学蒸気浸透プロセス中に、炭化ケイ素構造が炉に注入され、すべての空きスペースを埋めるためにより多くの炭化ケイ素が使用されます。 その結果、USNC の FCM 燃料形態の一部となるシェルを形成する、「比較的高密度で、表面が完全に密閉され、非常に複雑な形状をした強力で高純度の炭化ケイ素」が得られます。 ExOne のバインダー ジェット 3D プリンターから排出される何千もの燃料要素については、印刷プロセス中に独自のバーコードが統合され、USNC が品質を管理できるようになります。 外側から見ると、これらの要素は炭化ケイ素の塊のように見えますが、内側では燃料粒子が非常に特殊な方法で配置され、該当する場合には冷却チャネルなどを統合します。

これらの燃料粒子は、USNC のマイクロモジュラー炉 (MMR) エネルギー システムで使用されます。MMR エネルギー システムでは、ヘリウムは燃料や炉心コンポーネントと化学反応しないため、不活性ガスとして使用されます。 USNC は、その MMR 設計がこれまで商業化された原子炉の中で最も低い出力密度と最も高い表面積対出力比を備えていると考えています。 複数の MMR システムをリンクすると、化学プラント、大規模な工業用地、遠隔地コミュニティ、都市全体に電力を供給できるようになります。 現在、オランダの原子炉で試験が進行中であり、2026年に最初の原子力発電所に予定されている最初の応用および実証ユニットの高度な認可がカナダで進行中である。

USNC

USNC施設内。

USNC は将来の実装に備えて MMR システムと FCM 燃料形態の開発に取り組んでおり、同社はさらに ExOne バインダー ジェット システムに投資することを期待しています。 現在、燃料を使用しない大型構造物の印刷に使用される X160Pro マシンと、燃料が組み込まれた構造物の製造に使用される X25Pro マシンの両方が稼働しています。 USNC には、宇宙および推進用途に重点を置いた先端技術部門もあり、社内の 3D プリンティング能力にも頼っています。 一部のマシンは炭化ケイ素を実行し、他のマシンは炭化ジルコニウムを実行し、同じ化学蒸気浸透プロセスが印刷後に発生します。

「これらの機械を使用して、私たちは核品質の仕事を行っています」とテラーニ氏は言います。 「一度、ある種の火薬を使うと、永遠にあなたは変わらない。たとえシステムがそのように設計されているとしても、私たちは切り替えるつもりはない。私たちに課せられた核の品質の厳格さにより、私たちは維持する必要がある」 「システムは非常にクリーンで、非常に特殊なプロセス専用です。そのため、当社ではさまざまなコンポーネントや、さまざまな設計に適したさまざまなセラミックカーバイド用に複数のシステムを用意しています。」

テラーニ氏は、例えば、従来の軽水炉を構成する一連のロッドが製造業者が設備の変更を望まなかったため均一に製造されてきたことを挙げ、これまでの原子炉設計は従来の製造プロセスの制約によって窮屈になっていたと考えている。ロッドごとに。 積層造形は、FCM 燃料形態の炭化ケイ素シェルの場合と同様に、UNSC にソリューションを提供します。

現在、USNC は、その過程にある主要な研究開発の障害をすべて克服したと確信しており、現在、エンジニアリング、ライセンス供与、展開に着手しています。 気候緊急事態が深刻化するにつれ、よりクリーンで信頼性の高いエネルギーの必要性が高まっています。 USNC は 2011 年にその使命を開始しました。その年、福島第一原子力発電所は津波によって 1 台を除くすべての発電機が破壊されました。 １９８６年のチェルノブイリ事故以来最も深刻な原発事故となり、１５万４０００人が避難を余儀なくされた。

これらの事故はまれで予期せぬものではありましたが、原子力エネルギーの評判を大きく傷つけました。 その余波で多くの施設が廃止されたが、グリーンピースなどは原子力エネルギーの使用に反対する運動を長年続けてきた。 しかし、MMR と FCM に動力を供給する技術の進歩をもたらし、原子力エネルギーの低炭素出力を強調することで、USNC はムード音楽の潜在的な変化を感知し、最新のより効率的な原子炉の開発を推進しているうちの 1 つです。より新しくクリーンな燃料を使用します。

「気候変動が私たちに迫っています」とテラーニ氏は締めくくった。 「解決策が一つだと言う人は不誠実だと思いますが、原子力がこの問題の非常に重要な部分を占めているのは明らかです。現在利用可能な原子力エネルギーを見てみると、それらは1950年代か1960年代の設計を少し修正したものです」第一に、経済的に非常に高価であるということです – これらのものの 1 つを構築するのに 100 ～ 200 億ドルを費やすことについて話しています – 50 年代と 60 年代に、彼らはいくつかの境界シナリオを考え出し、「これらの境界シナリオの下で原子炉が安全であることを確認します […] そしてそれを超えるものはすべて、私たちは」と言いました。気にしないでください。 そして、私はチェルノブイリのような、それらの基本原則さえも無視した東洋の設計について話しているのではありません。

「設計と哲学の原則は時代遅れであり、経済的に見て、以前のように原子力は滅びる運命にある。何が必要なのか？私には言える。多くの場合、人々は世論の問題として原子力は存在しないと考えている。それは言い訳だ。原子力が存在しないのは、ベンダーがそれを提供できないからだ。」

サム・デイヴィス著

2023 年 1 月 3 日

10:00