Две ведущие национальные лаборатории США совместно развивают дуговую 3D-печать корпусов ядерных реакторов под давлением

Окриджская национальная лаборатория (ORNL) и Национальная лаборатория Айдахо (INL), входящие в состав Министерства энергетики США (DOE), объявили о начале сотрудничества, направленного на развитие технологии дуговой 3D-печати промышленных корпусов под давлением и наращивание потенциала квалификации критически важных ядерных компонентов с целью расширения отечественной цепочки поставок в США.

Лаборатории представили этот план сотрудничества 19 августа на Дне инноваций в области материалов и производства, прошедшем в Окриджской национальной лаборатории. Мероприятие было посвящено вопросам передового производства, ядерной инфраструктуры, энергетической безопасности и отечественных цепочек поставок, а также включало демонстрацию и экскурсию по Производственному демонстрационному комплексу (MDF) Министерства энергетики США. Этот комплекс представляет собой крупную исследовательскую платформу, открытую для промышленности, и предназначен в основном для разработки ранних стадий передовых производственных технологий.

Корпуса под давлением обычно используются в условиях высоких температур и высокого давления, предъявляя высокие требования к вязкости материалов и структурной целостности. Традиционные корпуса под давлением в основном изготавливаются методом ковки, однако в условиях расширения ядерной энергетики отечественные производственные мощности для крупных компонентов и сроки поставок сталкиваются с давлением. Лаборатории считают, что технология дугового аддитивного производства, основанная на плавлении металлической проволоки, может открыть новый технологический путь для производства крупных корпусов под давлением.

Согласно договорённостям о сотрудничестве, Окриджская национальная лаборатория задействует свои преимущества в области аддитивного производства, онлайн-мониторинга и характеризации напечатанных компонентов; Национальная лаборатория Айдахо, в свою очередь, объединит свой опыт в проектировании, испытаниях и развёртывании компонентов ядерных реакторов, а также в оценке долгосрочных характеристик ядерных материалов, совместно способствуя интеграции процессов производства компонентов, сбора данных, проверки качества и квалификации.

В июле этого года исследователи Производственного демонстрационного комплекса изготовили небольшой демонстрационный образец корпуса ядерного реактора под давлением с использованием технологии дуговой 3D-печати. Этот компонент размером примерно 3 фута × 5 футов был напечатан из стального сплава, имеющего отношение к ядерным применениям, на платформе MedUSA в ORNL. Данная платформа использует три协同工作机械臂 для плавления металлической проволоки электрической дугой с целью создания сложных металлических конструкций. Демонстрационный образец был затем представлен на Дне инноваций в области материалов и производства.

Следующим этапом исследовательская группа сосредоточится на验证 возможности цифровых инструментов на основе искусственного интеллекта в режиме реального времени оценивать форму и свойства материала корпуса в процессе печати. Главный исследователь Окриджской национальной лаборатории Патси Фернандес-Селайя (Patxi Fernandez-Zelaia) отметил, что команда надеется использовать данные, собранные в процессе печати, для изготовления компонентов корпусов под давлением, соответствующих стандартным требованиям, и на этой основе оценить их пригодность для эксплуатации в экстремальных условиях.

В рамках ранних работ по этой программе ORNL также использовала то же печатное оборудование MedUSA и соответствующие материалы для ускоренного производства с помощью искусственного интеллекта кронштейна нейтронного датчика R1 Mark-0 для компании Antares Nuclear Inc. R1 Mark-0 — это новый тип микрореактора, достигший критичности в Национальной лаборатории Айдахо в июне этого года.

Руководитель группы передового производства Национальной лаборатории Айдахо Йорген Руфнер (Jorgen Rufner) заявил, что этот проект объединяет профессиональные возможности двух лабораторий, интегрируя искусственный интеллект, науку о данных и передовые процессы 3D-печати для оценки характеристик компонентов в реальном времени в процессе их печати, а не полагаясь исключительно на испытания после производства.

Лаборатории считают, что при зрелом применении соответствующих методов печати и валидации они могут быть использованы для производства и квалификации большего количества крупных металлических компонентов ядерных реакторов, а также могут найти применение в таких отраслях, как химическая промышленность, нефтегазовая отрасль, оборонная и аэрокосмическая промышленность, которые зависят от крупных металлических конструкций.