شرکت فناوری‌های BWX به تازگی مبلغ ۴.۹ میلیون دلار از شرکت سهامی Battelle Energy Alliance دریافت کرده است تا در یک قرارداد متمم، سوخت هسته‌ای TRISO تولید کند. دفتر تحلیل اقتصادی دولت آمریکا، از طرف وزارت انرژی، مدیریت آزمایشگاه ملی Idaho را به عهده دارد. تحت شرایط این پیمان متمم، گروه عملیات هسته‌ای زیرمجموعه BWXT موظف است تعداد مشخصی ذره TRISO اورانیوم طبیعی تولید کند که به عنوان سوخت نسل بعدی ریزراکتورها استفاده خواهد شد و با این کار انرژی هسته‌ای را ایمن و قابل دسترس می‌سازد. درست مانند آنچه در آزمایشگاه ملی اوک ریج در حال انجام است.
جوئل دولینگ، رئیس واحد عملیات هسته‌ای BWXT می‌گوید: «تقاضای روزافزون برای سوخت‌های تخصصی و به ویژه TRISO، ما را به وجد می‌آورد و دلگرم می‌سازد، و از بهار سال ۲۰۲۰ که سومین قرارداد ما برای تولید سوخت TRISO منعقد شد، بر این باور هستیم که اعتماد، ارزش بیشتری به خود گرفته است.» او ادامه می‌دهد: «ما اکنون به طور ویژه در موقعیتی قرار گرفته‌ایم که مهار امور تکمیلی مربوط به سوخت رسانی، طراحی و تولید ریزراکتورها را به دست بگیریم.»
اما سوال پیش می‌آید که سوخت‌های TRISO چه سوختی هستند و چه ارتباطی با ساخت افزایشی دارند؟ بدیهی است که برای تولید نسل بعدی راکتورهای کوچک و سریع که سوخت‌های TRISO را مصرف می‌کنند، استفاده از فناوری ساخت افزایشی اهمیت روز افزونی پیدا کرده است و در حال تبدیل به فناوری کلیدی این حوزه است.
کلمه TRISO اشاره به مدل خاصی از سوخت راکتورهای هسته‌ای اورانیوم دارد. حروف اختصاری که در این واژه آمده‌اند، مخفف کلمات TRIstructural-ISOtropic، به معنای ایزوتروپیک سه‌ساختاری هستند. انتخاب واژه انگلیسی TRIstructural به دلیل لایه‌هایی است که اطراف سوخت اورانیوم را پوشش می‌دهند، و واژه ISOtropic نیز منظور از پوشش‌هایی است که در همه جهت‌ها ویژگی مواد یکنواخت را در خود دارد که به همین علت، فرآورده‌های حاصل از شکافت، از بین نمی‌روند.
اندازه ذرات فوق العاده کوچک است (تقریبا به اندازه دانه خشخاش)، اما مقاوم هستند. این ذرات را به دو روش می‌توان تولید کرد؛ یک روش با استفاده از گلوله‌های استوانه‌ای شکل، و روش دیگر با استفاده از کُره‌هایی به اندازه یک توپ بیلیارد است که «قلوه سنگ» نام دارند. ذرات حاصل، چه در راکتورهای گاز با دمای بالا و چه در راکتورهایی که با نمک مذاب سرد می‌شوند، استفاده می‌شود. ساختار سوخت‌های TRISO در مقایسه با سوخت‌های سنتی راکتور، در برابر تابش‌های نوترونی، خوردگی، اکسیداسیون و دمای بالا (عواملی که بیشترین تاثیر را بر عملکرد سوخت دارند) مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند. هر ذره، به دلیل لایه‌های سه‌گانه خود، بر اساس سیستم بازدارنده خود عمل می‌کند. به کمک این امر ذرات در هر شرایط راکتوری که باشند، فرآورده‌های حاصل از شکافت را حفظ می‌کنند. به بیان ساده‌تر، ذرات سوخت TRISO درون راکتور ذوب نمی‌شوند و می‌توانند دماهای بسیار بالا را، بسیار بالاتر از آستانه سوخت‌های هسته‌ای فعلی، تحمل کنند.
سوخت TRISO در حوزه راکتورهای پیشرفته، علاقه خیلی‌ها را به خود معطوف ساخته است که ما‌یل هستند آن را امتحان کنند. برخی فروشندگان راکتور، مانند X-energy و Kairos Power، به علاوه‌ی وزارت دفاع در حال برنامه‌ریزی هستند تا از TRISO در طراحی [راکتورهای] خود بهره بگیرند؛ از جمله این طراحی‌ها می‌توان به مفاهیم مربوط به ریزراکتورها و پودمان‌های چند بخشی کوچک اشاره کرد.
شرکت BWXT، تنها شرکت آمریکایی است که با داشتن تجهیزات موردنظر در مقیاس صنعتی، سوخت TRISO اکسی‌کاربید اورانیوم را تولید می‌کند و با تست پرتوافکنی آن را آزمایش می‌کند. تاسیسات مربوط به تولید TRISO که در حال حاضر این شرکت در اختیار دارد، دارای پروانه اختصاصی تولید نوعی سوخت اورانیوم[۱] است که غنای پایین و درجه خلوص بالا از ویژگی‌های مهم آن است؛ و این سوخت اکنون در مراحل آزمایش به سر می‌برد تا تایید اعتبار خود را دریافت کند. همچنین، شرکت BWXT در حال طراحی ریزراکتورهایی است که با سوخت TRISO تغذیه می‌شوند. اختصاص بودجه این پروژه پیش‌تر از سوی وزارت انرژی و وزارت دفاع آمریکا، اعلام شده بود؛ و آنجا بود که برای اولین بار، فناوری پرینت سه بعدی به میان آمد.
استفاده از سوخت TRISO در راکتورهایی که با پرینت سه بعدی ساخته شده‌اند
آزمایشگاه ملی اوک ریج، وابسته به وزارت انرژی آمریکا، در مارس سال ۲۰۲۰ به گروه عملیات هسته‌ای شرکت BWXT (با نام رسمی NOG) یک قرارداد محول کرد که در آن، BWXT موظف بود سوخت هسته‌ای TRISO تولید کند و با این کار جریان پیشرفت راکتورهای آزمایشی تبدیل شونده (TCR)[۲] را سرعت ببخشد. هدف از تعریف پروژه TCR، تولید ریزراکتورهایی است که با فناوری ساخت افزایشی ساخته می‌شوند؛ همراه با یک واحد نمایشی که بر اساس برنامه‌ریزی‌ها تا سال ۲۰۲۴ میلادی اجرایی خواهد شد. گروه عملیات هسته‌ای شرکت BWXT با نام رسمی NOG که یکی از زیرمجموعه‌های این شرکت به حساب می‌آید، اواخر سال ۲۰۱۹ تولید TRISO را با استفاده از تاسیسات خود، واقع در شهر لیچنبرگ ایالت ویریجینا آغاز کرد. رئیس NOG، جئول دولینگ گفت: «ما اعلام کرده‌ایم برای عرضه فناوری‌های هسته‌ای پیشرفته خودمان، قصد داریم بازارهای جدیدی را بیابیم که واگذاری این قرارداد به ما در پیشبرد این راهبرد ارزش فراوانی می‌دهد؛» دولینگ ادامه می‌دهد: «این واگذاری بی‌اندازه برای ما خوشایند است و به دنبال آن هستیم که با آزمایشگاه ملی اوک ریج و وزارت انرژی همکاری داشته باشیم تا روشی از تولید انرژی هسته‌ای را به همه نشان دهیم که پاک و ایمن است، در راکتورهای هسته‌ای جدید و کم هزینه قابل استفاده است که مهم‌تر از همه این راکتورها به روش ساخت افزایشی تولید می‌شوند.»
گستره این قرارداد علاوه بر آنچه گفته شد، همچنین شامل تولید و توزیع (تحویل) هسته‌های اورانیوم، مواد جایگزین با روکش TRISO و هسته‌های اورانیوم با روکش TRISO می‌شود. آزمایشگاه ملی اوک ریج در آینده، از این مواد در مراحل توسعه و ساخت نمونه‌های اولیه راکتورهای طراحی شده، و همینطور فرآیندهای تولید پیشرفته استفاده خواهد کرد.
انرژی هسته‌ای سریع‌تر، ایمن‌تر و مقرون به صرفه
راکتورهای TCR، چهاردهمین نسل راکتورهای هسته‌ای خواهند بود که در آزمایشگاه اوک ریج ساخته می‌شوند و از هسته اورانیوم نیترید استفاده خواهند کرد؛ اورانیوم نیترید، ذرات روکش‌دار سوخت هستند که درون ساختار کاربید سیلیکون قرار دارند و خود کاربید سیلیکیون نیز به روش پیشرفتهای تولید می‌شود. سوخت را درون یک ظرف معمولی و از جنس فولاد ضد زنگ قرار می‌دهند. عناصر مهارگر ایتریم هیدرید، بلوک‌های سازنده سوخت را از هم پراکنده می‌سازند. سیستم راکتور درون یک محفظه تهویه شده و داخل ساختمان آزمایشگاه اوک ریج جای خواهد گرفت.
توماس زاخاریا، مدیر آزمایشگاه ملی اوک ریج می‌گوید: «صنعت هسته‌ای هنوز هم در این باور محدود شده است که این صنعت در روشی که طراحی می‌کنیم، می‌سازیم و فناوری انرژی هسته‌ای را شکوفا می‌سازیم، خلاصه می‌شود.» او در این باره ادامه می‌دهد: «هدف وزارت انرژی از راه‌اندازی یک چنین برنامه‌ای، دستیابی به رویکرد جدیدی است که در آن راه حل‌های تحول آفرین مربوط به انرژی، با سرعت بالا و با نظر به جنبه‌های اقتصادی، توسعه پیدا کنند که درنهایت یک انرژی پاک و مطمئن به وجود بیاید.»
توسعه و گسترش کاربرد راکتور از دیرباز به مواد، سوخت و فناوری پیشتاز در دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی وابسته بوده است؛ و در بیست سال اخیر آنچه مانع شده است ایالات متحده آمریکا یک نیروگاه هسته‌ای دیگر بسازد، هزینه‌های بالا و مدت زمان احداث عمرانی است که ممکن است دهه‌ها طول بکشد. راکتورهای TCR، به دنبال خود مواد جدید و پیشرفتهای را به میدان می‌آورند و از حسگرها و تنظیمات پیچیده‌ای بهره می‌برند. چنین امکاناتی، سیستم‌های فوق العاده بهینه و کارآمدی را ارائه می‌دهند به گونه‌ای که هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و با تکیه بر پیشرفتهای علمی قابلیت این را دارد که طراحی، تولید، عملکرد و نوع بهره‌برداری راکتورها را در مسیر جدیدی قرار دهد.
برنامه TCR از چندین آزمایش بنیادی، مانند انتخاب نوع طراحی هسته سربلند بیرون آمده است. این طرح همچنین به مدت سه ماه، به صورت آزمایشی راه‌اندازی شد که نشان داد فناوری ساخت افزایشی، گزینه مناسبی برای تولید نمونه‌ی اولیه هسته راکتور است.
کورت ترانی، مدیر فنی پروژه TCR می‌گوید: «در طول چند ماه اخیر، همه تلاش خود را کردیم تا این برنامه عملی شود، و نتیجه تلاش‌های ما نشان می‌دهد که این فناوری آماده است تا هسته راکتورهای هسته‌ای را که با روش پرینت سه بعدی ساخته شده‌اند، به نمایش درآورد. وضعیت کنونی دانش هسته‌ای ناراحت کننده است. آنچه در این طرح انجام شد، یک اقدام اساسی بود که می‌تواند در آینده، درهای بیشتری از نوآوری‌های سریع را به روی حوزه هسته‌ای باز کند.»
مزایای صنعت هسته‌ای
این برنامه نقش مهمی در گسترش کاربرد راکتورهای هسته‌ای پرینت شده دارد و علاوه بر آن، در یکی از بخش‌های آن یک بستر دیجیتال در دست ایجاد است که به انتقال این فناوری به درون صنعت کمک شایانی می‌کند و سبب می‌شود فناوری انرژی هسته‌ای که با شیوه‌های ساخت افزایشی شکل گرفته است، با روند سریع‌تری در صنایع مربوطه جایگزین شوند.
ترانی می‌گوید: «به لطف پیشرفتهای چشمگیری که فناوری فرآیندهای ساخت افزایشی داشته است، مفهوم کلی TCR در عمل شدنی است.» او سپس اضافه می‌کند: «به کمک پرینت سه بعدی می‌توانیم از فناوری و موادی استفاده کنیم که جامعه دانش هسته‌ای در دهه‌های اخیر قادر به بهره برداری از آن‌ها نبوده است. برای نمونه می‌توان به حسگرهای کنترل نیمه خودکار، مجموعه‌ای از داده‌ها و یک رویکرد جدید نسبت به ارزیابی کیفیت اشاره نمود که رشد سریعی دارد و برای همه جامعه هسته‌ای سودمند خواهد بود.»
اما هدفی که برنامه TCR دنبال می‌کند، فراتر از یک راکتور است: بلکه ایجاد تحولی بزرگ در شیوه‌های تولید موجود در صنعت هسته‌ای است، و همینطور در صنایع دیگر. این بدان معناست که همین حالا هم شرکت‌هایی خارج از قلمروی این حوزه از مزایایی استفاده می‌کنند که آزمایشگاه ملی اوک ریج اکنون از برنامه TCR می‌آموزد.
رایان دهوف، مدیر گروه دانش و فناوری رسوب‌گذاری در آزمایشگاه ملی اوک ریج است؛ او در این باره می‌گوید: «همچنان که بستر TCR را توسعه می‌دهیم، با شرکت‌هایی هم ارتباط برقرار می‌کنیم که می‌توانند از مزایای روش ساخت افزایشی و فناوری‌های تحلیلی برای ساخت بخش‌ها و اجزا بهره بگیرند. ما به آن‌ها نشان داده‌ایم که پرینت سه بعدی چه امکانات سودمندی، به ویژه در صنعت هسته‌ای در اختیار آن‌ها قرار می‌دهد و اکنون همکاری خود را با آن‌ها آغاز کرده‌ایم تا برخی از این مزایا را تحقق ببخشیم.»
نام یکی از شرکت‌ها، Kairos Power است. فناوری مشترکی با Kairos Power در پروژه راکتورهای آزمایشی تبدیل شونده به کار گرفته شده است، به همین دلیل، آزمایشگاه ملی اوک ریج می‌تواند برای سفارش‌های فوری با هدف آزمایش، با استفاده از ساخت افزایشی نمونه‌های اولیه را به طور مرتب اصلاح کند و در این راستا مجموعه‌ای از قطعات مورد نیاز را تولید کند. شرکت Kairos، واقع در کالیفرنیا نیز به دنبال آن است که در زمان کوتاهی، فناوری هسته‌ای تازه‌ای را توسعه ببخشد؛ همین سبب شد با آزمایشگاه ملی اوک ریج در این مسیر همراه شود تا قطعه‌ی خاصی را برای نمونه اولیه راکتور خود تولید کند.
قطعه مورد نظر، پروانه‌ی نوعی پمپ به نام پمپ پره بسته است؛ این پروانه بخشی از چرخه مبدل حرارت است که هدف از طراحی این چرخه، جمع‌آوری و انتقال نمک ذوب شده از سراسر منبع گرمایی است. چنین قطعه‌ای باید دمای نزدیک به ۶۰۰ درجه سلسیوس را تحمل کند و علاوه بر آن، به صورت دقیق در میان قطعات دیگر نمونه‌ی اولیه جای بگیرد به گونه‌ای که هیچ انحرافی در طول عملکرد آن به وجود نیاید. شکل و ابعاد پروانه پمپ باید درست و دقیق باشد و کیفیت سطح آن مناسب باشد.
پس از این تحول اساسی و سریع در شیوه تولید، تیم آزمایشگاه اوک ریج با همکاری مهندسان Kairos، بدون اینکه اختلالی در عملکرد جزء مورد نظر به وجود بیاید، نوع طراحی Kairos را برای تولید به شیوه ساخت افزایشی تنظیم کردند. پر پترسون، رئیس بخش اصلی هسته‌ای Kairos و عضو منتخب نظام مهندسی ملی می‌گوید: « نتایج پروژه TCR اهمیت فراوانی در تغییر الگوی نگرش نسبت به انرژی هسته‌ای دارند. اما من فکر می‌کنم که TCR حتی نوع رویکرد و نگرش نسبت به آزمایشگاه‌های ملی را نیز دگرگون می‌سازد و جایگاهی که در خور شایستگی‌شان باشد، به آن‌ها برمی‌گرداند؛ موقعیتی که ۵۰ سال پیش از آن آن‌ها بود.»
آزمایشگاه ملی اوک ریج با انتخاب فناوری‌های تولید ساخت افزایشی می‌تواند طراحی‌های خود را در فضای کامپیوتری انجام دهد یا نمونه اولیه را که در مقیاس کوچک و به کمک نرم افزارهای CAD طراحی شده‌اند، در اختیار شرکت کارفرما قرار دهد تا آن‌ها با توجه به کاربردی که در نظر دارند، محصول مورد نظر را در محیط مربوط به خود آزمایش کنند. چنانچه نیاز به انجام اصلاحاتی باشد، هر چقدر که هم جزئی باشد، جای نگرانی وجود ندارد زیرا فایل CAD اصلاح می‌شود، قطعه دوباره پرینت می‌شود و سپس برای آزمایش فرستاده می‌شود؛ قطعه بارها و بارها، هوشمندانه و سریع پرینت می‌شود تا زمانی که جزئیات خواسته شده به بهترین نحو ممکن برآورده شوند.
دهوف درباره این مسئله می‌گوید: «به جای دو مدل طراحی، ما تقریبا ۲۰ مدل طراحی را امتحان می‌کنیم. نتیجه این کار، طراحی نسخه‌های اصلاحی فوری و در آخر هم انتخاب طراحی نهایی و تولید با مقیاس کامل خواهد بود.»
TCR، اولین نمونه‌ای است که توسعه می‌یابد و بستر دیجیتال گسترده‌ای را به نمایش می‌گذارد که در راستای اطمینان از کیفیت اجزایی که برای عرضه در برابر تقاضای مربوط به کاربردهای هسته‌ای با روش ساخت افزایشی تولید می‌شوند، بر فرآیند پرینت و روند تحلیل داده‌ها نوعی پایش مداوم وجود دارد. شرکت‌ها تنها قطعه مورد نظرشان را دریافت نمی‌کنند، بلکه علاوه بر آن داده‌های دیجیتال مربوط به جنبه‌های مختلف قطعه را نیز دریافت می‌کنند. مهندسان پس از دریافت نتایج آزمایش می‌توانند عملکرد را با داده‌هایی که از سیستم پایش تعبیه شده استخراج می‌شوند، مطابقت دهند.
دکتر ادوارد بلاندفورد، بنیانگذار و رئیس بخش فناوری Kairos می‌گوید: «ارتباط با آزمایشگاه ملی اوک ریج برنامه‌های توسعه فناوری ما را تحت عنوان راکتورهای پیشرفته Kairos Power، به ویژه از نظر روش‌های پیشرفته تولید تقویت می‌کند.» دکتر بلاندفورد در ادامه اضافه می‌کند: «این همکاری باعث به وجود آمدن انعطاف‌پذیری و توانمندی می‌شود و به کمک رویکرد توسعه‌ی تکرارشونده ما، در امر ساخت و تولید سریع‌تر و هوشمندانه‌تر عمل کنیم.»
حل مشکلات مربوط به زنجیره عرضه
باید بخت با شما یار باید تا یک کارخانه ریخته گری پیدا کنید که حاضر شود تعداد اندکی قطعه قالب ریزی و تولید کند. حتی اگر یکی از آن‌ها قبول کند، هزینه‌ها به حدی بالا می‌رود که مانع از این کار خواهد شد. فرد لیست، پژوهشگر بخش فناوری و دانش رسوب گذاری می‌گوید: «درست جایی که ساخت افزایشی در تولیدات حجم کم با کیفیت بالا، برتر از روش‌های دیگر ظاهر می‌شود و علی رغم تقاضای بسیار، مشکلاتی در زنجیره عرضه به وجود می‌آیند.» لیست زمانی را مثال می‌زند که باید صبر کنید تا حجم سفارشات برای تولید یک مجموعه به حد نصاب برسد و می‌گوید: «چنین تغییر بزرگی تنها در چند روز اتفاق می‌افتد و حتی به هفته‌ها یا ماه‌ها نمی‌رسد.»
برجستگی روش پیشرفته تولید بیشتر از هر چیز دیگری به دلیل توانایی آن در توجه به هزاران متغیر متفاوت و سپس معنا بخشیدن به آن‌ها است و بدین ترتیب قادر است نمونه‌هایی تولید کند که قبلا هم «واجد شرایط» بوده و به همین علت نیز، عملکرد نمونه مورد نظر قابل پیش بینی است. در صنعت هسته‌ای همه چیز باید دقیق و قانونمند باشد، از این رو توجه به جزئیات ارزش حیاتی دارد. دهوف نیز در این باره می‌گوید که این روش جدید تولید جزئیات، می‌تواند تغییر بزرگی به وجود بیاورد.
دهوف می‌گوید: «از این بستر دیجیتال در برنامه TCR استفاده می‌کنیم تا از بابت اجزای داخلی راکتور هسته‌ای اطمینان حاصل کنیم، به همین دلیل نسخه‌های اصلاحی فوری طراحی اهمیت فراوانی دارند.» و در آخر اضافه می‌کند: «در یک پروژه سنتی هرگز نمی‌توانستیم چنین کارهایی انجام دهیم.»
قطعات ساخته شده با ساخت افزایشی در راکتورهای هسته‌ای سازمان دره تنسی
چهار متصل کننده مونتاژ شده کانال سوخت که به روش پرینت سه بعدی ساخته شده‌اند، در واحد ۲ نیروگاه هسته ای براونز فری در آلاباما، زیرمجموعه سازمان دره تنسی، نصب شده‌اند و اکنون در شرایط عملیاتی معمول قرار دارند. اجزای آن‌ها با استفاده از تاسیسات نمایشی تولید وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی اوک ریج تولید شدند؛ سپس زیر نظر برنامه TCR در واحد ۲ براونز فری کار گذاشته شدند. این بخش‌ها با فنون ساخت افزایشی، که به نام پرینت سه بعدی شناخته می‌شود، در آزمایشگاه اوک ریج چاپ شدند که در این روش با توجه به مدلی که در فضای کامپیوتری طراحی شده است، مواد به صورت لایه لایه، رسوب گذاری می‌شوند تا اشکال دقیقی شکل بگیرند، و پس از تکمیل چاپ هم هیچ نیازی به کنده کاری اصلاحی یا ماشین کاری به وجود نمی‌آید. آزمایشگاه ملی اوک ریج درباره این مورد می‌گوید: «با توجه به اینکه اولین بار در جهان است که ساخت افزایشی در راکتور هسته‌ای به کار می‌رود، هندسه‌ی اتصالات کانال‌ها ساده و البته نامتقارن بود اما با این حال به خوبی برای استفاده در راکتور هسته‌ای جور درآمد.»
این قطعات روی مجموعه ماشین‌آلات سوختی راکتور آب جوش مدل Atrium 10XM نصب شدند که در تاسیسات تولید سوخت هسته‌ای Framatome واقع در ریچلند ایالت واشنگتن قرار دارد. نصب این قطعه‌ها همزمان با واحد ۲ براونز فری و در طول یک وقفه کاری برنامه ریزی شده انجام گرفت که در ۲۲ آپریل پایان یافت. اتصالات به مدت ۶ سال در راکتور باقی خواهند ماند و در این مدت، بازرسی‌های دوره‌ای روی آن‌ها انجام می‌گیرد.
«به کارگیری قطعاتی که با فناوری پرینت سه بعدی ساخته شده‌اند در استفاده‌های مربوط به راکتور، نقطه عطف بزرگی است.» این جمله را بن بتزلر، مدیر برنامه TCR در آزمایشگاه اوک ریج می‌گوید؛ او در ادامه اضافه می‌کند: «این امر نشان می‌دهد که در یک محیط فوق العاده قانونمند، عرضه قطعات واجد شرایط یک کار شدنی است. این برنامه فناوری و دانش پایه و کاربردی را در کنار هم قرار می‌دهد تا به راه‌حل‌های قابل فهمی دست پیدا کند که نشان می‌دهد روش‌های پیشرفته تولید تا چه اندازه می‌توانند تحولی در حوزه فناوری و جزئیات راکتورها پدید آورند.»
جان استرامپل، مدیر بخش تحقیق و توسعه سوخت آمریکای شمالی در شرکت Framatome می‌گوید: «همکاری با سازمان دره تنسی و آزمایشگاه ملی اوک ریج به ما این توانایی را بخشید که فناوری‌های نوآورانه و جدید را به کار بگیریم و با بازارهای نوپدید پرینت سه بعدی آشنا شویم که در نهایت به سود صنعت انرژی هسته‌ای خواهد بود. این پروژه زیرساخت طراحی و تولید سه بعدی انواع قطعات را بنا می‌کند که کمک می‌کند انرژی پاک، بخشی مهمی از آینده باشد.»
استفاده از فلزات نسوز در راکتورهای پیشرفته
توسعه راکتورهای هسته‌ای پیشرفته همچنان با سرعت بالایی ادامه دارد، اما هنوز در زمینه کار با برخی مواد خاص که وجودشان برای راکتور ضروری است، مشکلاتی وجود دارد. مهندسان و طراحان شرکت فناوری‌های BWX (با نام رسمی BWXT) با همکاری آزمایشگاه ملی اوک ریج، فناوری‌های جدیدی از ساخت افزایشی را با هدف طراحی و تولید اجزای راکتور توسعه بخشیدند که این محصولات از آلیاژهای دما بالا و فلزات نسوز تولید می‌شوند.
طراحی راکتورهای پیشرفته به گونه‌ای است که بتوانند در دماهای بسیار بالا عملکرد خود را حفظ کنند، و البته توانایی تولید قطعات از جنس این آلیاژها و فلزات به روش ساخت افزایشی، می‌تواند روند توسعه و پیشرفت را سرعت ببخشد. شرکت BWXT به طور خاص، به توانایی خود در تولید سوپرآلیاژهای بر پایه نیکل و آلیاژهای بر پایه فلزات نسوز پرداخته است که این مواد برای ساخت اجزای هسته‌ای به کار می‌روند. این شرکت همچنین مجموعه‌ای از شرایط کیفی مربوط به مولفه‌ها و اجزا را تدوین کرد که در نتیجه آن، گواهی کیفی جدیدی برای مواد هسته‌ای که در قطعاتی با هندسه پیچیده شکل دهی می‌شوند، به وجود می‌آید که بسیار کارآمدتر از قبل است. BWXT این فناوری را در یک برنامه پیشرفته توسعه فناوری هسته‌ای به کار گرفت که از طرف وزارت انرژی ایالات متحده به آن‌ها واگذار و هزینه‌های آن سهام بندی شده بود؛ BWXT نیز پس از موفقیت برنامه هسته‌ای، به این فناوری اعتبار قانونی بخشید.
کن کمپلین، رئیس گروه خدمات هسته‌ای می‌گوید: «ما در BWXT گروهی از مهندسان و طراحان را داریم که استعداد بی‌نظیری دارند.» کمپلین اضافه می‌کند: «کاری که آن‌ها انجام می‌دهند، سبب می‌شود توسعه دهندگان راکتورهای هسته‌ای هنگام مواجهه با برخی از چالش‌های فنی مهم که در بسیاری از این نوع طرح‌ها وجود دارند، بسیار راحت‌تر از آنچه هست چالش‌ها را از میان بردارند و رو به جلو حرکت کنند.»
اگر اجزای هسته از آلیاژ فلزات نسوز تشکیل شده باشد، دمای خروجی ۲۷۰۰ درجه فارنهایت در هسته راکتور پیشرفته امری شدنی خواهد و در این صورت، راندمان کلی نیروگاه به ۵۰% می‌رسد. به علاوه، پیشرفت این مواد بر مجموعه راکتورهای تجاری کنونی به سرعت اثر می‌گذارد و همینطور هدف دستیابی به مدلی از سوخت که در برابر حوادث مقاوم باشد.
شرکت BWXT قصد دارد با استفاده از ظرفیت‌های تولید پیشرفته خود و تخصصی منحصر به فردی که در طراحی دارد، هزینه‌های مربوط به سیستم‌های پیشرفته انرژی هسته‌ای را کاهش دهد. طراحی‌ها و روش‌های تولید این شرکت به طور خاص، توان خروجی و طول عمر مفید راکتور را بهبود می‌دهند و این درحالی است که هزینه‌های تولید مقرون به صرفه است. BWXT پیش‌بینی می‌کند می‌تواند خطرات تولید را با گذشت زمان کاهش دهد و در پیشنهادی که در رابطه با برنامه وزارت انرژی برای توسعه راکتورهای پیشرفته ارائه داد، به این مورد اشاره کرده بود.
در ژانویه ۲۰۲۲، شرکت Ultra Safe Nuclear برای شیوه تولید آزمایشگاه ملی اوک ریج پروانه‌ای صادر کرد تا اجزای فوق العاده مقاومی را برای استفاده در طراحی‌های راکتور هسته‌ای، با فناوری پرینت سه بعدی تولید کند. کورت ترانی، معاون اجرایی USNC و معاون اسبق آزمایشگاه ملی اوک ریج می‌گوید که شرکت‌شان به کمک این روش جدید می‌تواند قطعاتی را که مطلوب است شکل پیچیده‌ای داشته باشند، با کیفیت بالاتری بسازد.
آزمایشگاه ملی اوک ریج، وابسته به وزارت انرژی آمریکا، روش جدیدی را برای پرینت سه بعدی اجزای راکتورهای هسته‌ای توسعه داده است؛ در این روش از تکنیک‌های پیچیده ساخت افزایشی و مواد نسوز برای چاپ اشکال پیچیده اجزای مورد نیاز در طراحی‌های راکتورهای هسته‌ای پیشرفته، استفاده می‌شود. مواد نسوز در برابر حرارت بالا و تخریب بسیار مقاوم هستند. شرکت USNC می‌خواهد این روش را ضمیمه هدف بلند مدت خود، یعنی توسعه و گسترش تجهیزات تولید انرژی برپایه دانش هسته‌ای کند که استفاده از آن‌ها ایمن و آسان باشد و علاوه بر آن، توانایی رقابت در بازار را داشته باشد.
جرمی بازبی، مدیر بخش انرژی هسته‌ای و چرخه سوخت در آزمایشگاه اوک ریج بیان می‌کند: «تحول مفاهیم پایه به یک فناوری کامل‌تر جای تحسین دارد؛ به طوری که شرکای صنعت ما دائم در حال توسعه و گسترش کاربردهای این فناوری هستند. این دقیقا همان اثری است که آزمایشگاه اوک ریج تلاش می‌کند در مجموعه برنامه‌ها و پروژه‌های ما به وجود بیاورد.»
[۱] Assay Low Enriched Uranium (HALEU) fuel
[۲] Transformational Challenge Reactor (TCR)
