Перспективы использования аддитивных технологий в конструкциях усовершенствованных ядерных реакторов

Представьте себе напечатанные на 3D-принтере элементы активной зоны ядерного реактора или топливные таблетки. Идея создавать при помощи технологии трехмерной печати материалы, способные выдерживать экстремальные условия эксплуатации ядерного реактора, может показаться невероятной, однако по мнению многих экспертов именно эта технология нужна, чтобы ускорить внедрение усовершенствованных реакторов и приумножить вклад ядерных технологий в борьбу с изменением климата.

Трехмерная печать уже используется в некоторых отраслях промышленности. Она представляет собой разновидность аддитивного производства, при котором печать объекта происходит за счет послойного наращивания материала. В этом заключается ее отличие от субтрактивного производства, которое предполагает удаление лишнего материала путем срезания или плавления. Трехмерная печать выполняется под управлением компьютера непосредственно на основе цифрового чертежа. Технология позволяет создавать объекты сложных форм, изготовление которых ранее было затруднительным или даже невозможным. Такой метод производства быстрее, дает меньше отходов, снижает вероятность ошибки и зачастую позволяет конструкторам уменьшить вес изделий — все эти качества могут значительно снизить производственные затраты.

«Вслед за авиационной и автомобильной промышленностью ядерная отрасль в будущем сможет широко использовать технологии трехмерной печати и другие передовые технологии производства, — говорит инженер-атомщик Анинда Дутта Рай, занимающийся в МАГАТЭ вопросами передовых технологий производства. — Потенциал для этого, безусловно, есть. Первые шаги в этом направлении уже предпринимаются. Проводятся активные научные исследования и анализ с учетом существующих норм и правил проектирования ядерных объектов, при этом некоторые регулирующие органы уже успели приступить к разработке руководящих материалов для лицензиатов».

Внедрение и испытание объектов, созданных на основе технологии 3D-печати

Первые шаги на пути внедрения технологии трехмерной печати — небольшие, медленные и осторожные, как и в большинстве новых производственных процессов. Ядерная отрасль уже знает несколько случаев первого использования технологии трехмерной печати, среди них установленная в 2017 году на реакторе в Словении крыльчатка насоса. Похожий на вентилятор или турбину элемент прогоняет воду через насос. Ввиду отсутствия первоначальных чертежей эту деталь решили изготовить с помощью 3D-печати.

В Соединенных Штатах Америки разработкой технологии трехмерной печати для ядерной сферы и других отраслей занимается Окриджская национальная лаборатория (ОРНЛ). В ходе первого в своем роде испытания ОРНЛ напечатала крепежные элементы, так называемые канальные крепления. В 2021 году детали были установлены на ядерном энергетическом реакторе. Они будут находиться в реакторе до 2027 года, затем их извлекут и проверят с целью дать оценку их эксплуатационным характеристикам в условиях работы реактора. В 2022 году французская многонациональная компания «Фраматом» установила на АЭС «Форсмарк» в Швеции первый изготовленный при помощи технологии трехмерной печати компонент тепловыделяющего элемента из нержавеющей стали. Кроме того, в Российской Федерации недавно был создан 3D-принтер, который способен печатать изделия диаметром до 2,2 метров и высотой до 1 метра, а в Республике Корея трехмерная печать используется при производстве компонентов для регулирующих клапанов.

Поскольку технология трехмерной печати едва ли создавалась с учетом интересов ядерной отрасли, в настоящее время производственные технологии адаптируют исходя из потребностей отрасли. И хотя разрабатывающие промышленные стандарты организации уже создают стандарты трехмерной печати для различных отраслей, в ядерной сфере такие стандарты находятся на ранней стадии разработки.

По словам Дутты Рая, выработка лучших методов испытаний, их стандартизация в мировом масштабе и получение одобрения регулирующих органов — задачи, вероятно, не менее сложные, чем собственно инновационная деятельность и совершенствование технологий производства. В Европе 13 организаций в 6 странах участвуют в проекте «Производство компонентов для ядерной отрасли на основе аддитивных технологий», в рамках которого проводятся исследования с целью разработать процесс аттестации и оценки, который позволит использовать на атомных электростанциях компоненты, изготовленные на основе технологии трехмерной печати.

Кроме того, Научно-исследовательский электроэнергетический институт (ЭПРИ) в сотрудничестве с Министерством энергетики США и производителями проводит исследовательскую работу с целью упорядочить процесс внедрения регулирующими органами новых технологий, таких как трехмерная печать. Исследование ставит целью изучение применимости передовых технологий производства, выработку норм и стандартов, а также содействие экспертизе на предмет соответствия нормативным требованиям путем представления результатов независимых испытаний эксплуатационных характеристик материалов в условиях воздействия окружающей среды. «Спрос на альтернативные цепи поставок и ускоренное внедрение заметно возрастает по мере перехода энергетической отрасли к использованию современных энергетических систем, таких как усовершенствованные реакторы, — говорит Марк Алберт, руководитель группы ЭПРИ по проектам на основе передовых технологий производства. — Аддитивное производство и другие передовые методы производства способствуют ускоренному внедрению экологически чистых технологий».

Роль МАГАТЭ

Одной из задач МАГАТЭ является содействие международному сотрудничеству и обмену знаниями. В апреле 2023 года МАГАТЭ объявило о создании Международной сети инноваций для поддержки действующих атомных электростанций (ИСОП). ИСОП — это открытая для участия сеть и площадка для взаимодействия между странами по целому ряду инновационных направлений, включая перспективные производственные методы, такие как трехмерная печать.

Кроме того, в июне 2022 года МАГАТЭ приступило к реализации Инициативы по гармонизации и стандартизации в ядерной области (ИГСЯО), которая призвана содействовать развертыванию усовершенствованных ядерных реакторов и малых модульных реакторов с учетом требований ядерной и физической безопасности. Цель ИГСЯО — гармонизировать подходы к регулированию  и выработать более стандартизированные промышленные подходы, включая общие подходы к нормам и стандартам в ядерной сфере, которые были бы применимы к аддитивным технологиям изготовления частей для ММР.

Эд Брэдли, руководитель группы МАГАТЭ по эксплуатационной и инженерно-технической поддержке АЭС, говорит: «Именно от совместной инновационной деятельности зависит, смогут ли ядерные технологии нового поколения благополучно покинуть стены лабораторий и как можно скорее помочь нам в достижении нулевого уровня выбросов. Обмениваясь полученными результатами, методами и знаниями, мы экономим время и ресурсы, поскольку ядерным странам не нужно проводить одни и те же испытания или тратить деньги на решение одних и тех же задач. Именно так мы сможем добиться успеха».