Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc in 3D van an toàn hạt nhân chịu lực cỡ lớn
Các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Hàn Quốc (KAERI) đã in 3D một van an toàn cỡ lớn với các đặc tính chịu lực, để sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân.
Bằng cách kết hợp in 3D và gia công CNC, nhóm nghiên cứu của KAERI đã có thể chế tạo vòi dẫn nặng 30 kg với các chi tiết siêu chính xác, bao gồm một hệ thống làm mát phức tạp bên trong. Trong quá trình thử nghiệm, van phù hợp với mức độ an toàn ‘Loại 1’ thường được thấy trong các phụ tùng thay thế thương mại, có nghĩa là nó có khả năng chịu được mức phơi nhiễm bức xạ nguy hiểm nhất từng thấy trong ngành công nghiệp hạt nhân.
Duy trì nhà máy điện hạt nhân
Khi thế giới tiếp tục bỏ dần nhiên liệu hóa thạch, một số quốc gia đã chọn sử dụng năng lượng hạt nhân như một giải pháp thay thế để giảm Carbon. Đặc biệt, Hoa Kỳ đã trở thành quốc gia dẫn đầu toàn cầu về năng lượng hạt nhân, tạo ra hơn 30% điện năng trên thế giới theo cách này và kể từ năm 2007, họ đã đưa tổng cộng 24 lò phản ứng vào vận hành.
Để đảm bảo các nhà máy này hoạt động an toàn và ngăn chặn các thảm họa từng xảy ra trong quá khứ, việc bảo trì và sửa chữa sẽ được thực hiện thường xuyên. Tuy nhiên, nhóm KAERI đã xác định được sự thiếu hụt khi kiểm tra một số bộ phận quan trọng về an toàn như van của Hệ thống Kiểm soát Thể tích và Hóa chất (CVCS), được dùng để giảm áp suất lõi.
Nói một cách cụ thể, CVCS được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ cung cấp chất lỏng hoặc điều tốc dòng chảy trong các lò phản ứng, và mặc dù nó có thể được thực hiện ở một nơi khác, chất lượng van an toàn luôn phải đáp ứng các tiêu chí nhất định. Ví dụ, các bộ phận trong lò phải vượt qua các bài kiểm tra như áp suất nước, vận hành và lưu lượng trước khi được triển khai, và việc tạo ra các bộ phận đủ bền bỉ theo yêu cầu được coi là vô cùng khó.
Chế tạo van công nghiệp nặng
Theo các nhà khoa học ở KAERI, chỉ riêng in 3D kim loại vẫn chưa sẵn sàng để thay thế sản xuất thông thường khi nói đến việc chế tạo phụ tùng dành cho hạt nhân. Tuy nhiên, bằng cách kết hợp công nghệ lắng đọng năng lượng trực tiếp (DED) với gia công CNC 5 trục, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc chế tạo ra một bản sao đáp ứng được độ chính xác cao là khả thi.
Van làm từ crom và niken có thân, ca-pô và lồng được in 3D, và sau khi được lắp ráp, thiết bị 300mm này sẽ được kiểm tra nghiêm ngặt. Trong các bài kiểm tra áp suất, các tiếp danh của lớp trên thiết bị được phát hiện đóng vai trò là tiêu điểm của ứng suất dư, làm giảm độ bền của thiết bị xuống 7-8%.
Tương tự, khi CVCS được xử lý hậu kỳ trong Máy ép đẳng nhiệt (HIP) ở 1100oC, cấu trúc của nó bị yếu đi 33%, nhiều hơn 18% so với mức được thấy trong van thông thường. Tuy nhiên, xét về hiệu suất nhất quán và ‘giới hạn bền’ của nó, thiết bị in 3D này tốt hơn phiên bản thương mại, với độ bền kéo là 202,6 MPa.
Nhìn chung, nhóm nghiên cứu kết luận rằng, mặc dù với phản ứng của nó với xử lý nhiệt, độ bền không đổi của van in 3D của họ đủ để làm cho nó sẵn sàng để trở thành sản phẩm cuối. Dù đã biết CECS của nhóm tương tự như bộ phận loại 1, cơ quan quản lý hạt nhân của IAEA vẫn sẽ phân loại bộ phận đó là “bộ phận mà sự thất bại sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng” cao “.” Một đánh giá cao cho sức mạnh của chi tiết được in 3D.
Các ứng dụng nguyên tử bồi đắp
Với in 3D, giờ đây việc chế tạo các bộ phận chịu nhiệt cao là khả thi, trong năm ngoái, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã cam kết việc tập trung nguồn lực để phát triển các ứng dụng hạt nhân cho công nghệ.
Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) là trung tâm để thử nghiệm các bộ phận hạt nhân được in 3D, và đã lắp đặ thành công các bộ phận an toàn đầu tiên vào tháng 12 năm 2020. Bằng cách làm việc với Cơ quan Thung lũng Tennessee (TVA) và nhà cung cấp nhiên liệu Framatome, ORNL được cho là có thể tích hợp các giá đỡ lắp ráp nhiên liệu vào lõi lò phản ứng.
ORNL cũng đang trong quá trình in 3D một lò phản ứng vi mô hoàn chỉnh được gọi là Lò phản ứng thử thách biến đổi (TCR). Kết hợp giữa sản xuất phụ gia, vật liệu tiên tiến và cảm biến tích hợp, ORNL nhằm mục đích tối ưu hóa và giảm chi phí liên quan đến việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân.
Ở những nơi khác, các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã sử dụng in 3D để cải thiện khả năng tái chế chất thải hạt nhân. Sử dụng thiết bị contactor được in 3D mới của họ, nhóm Argonne tin rằng có thể tái sử dụng tới 97% nhiên liệu hạt nhân bị lãng phí.
Các phát hiện của các nhà nghiên cứu được trình bày chi tiết trong bài báo của họ với tiêu đề “Sản xuất bồi đắp van an toàn hạt nhân 3 inch loại 1 bằng cách lắng đọng năng lượng trực tiếp bằng laser”.
