В последние десятилетия аддитивные технологии, также известные, как 3D-печать, всё чаще встречаются на производстве. Они, в первую очередь, хорошо подходят для прототипирования новых продуктов – между разработкой и тестированием проходит мало времени. Однако их всё больше используют и в производстве всякого, от небольших партий товаров до сделанных на заказ корпусов, и даже компонентов ракетных двигателей.

Очевидное преимущество аддитивных технологий состоит в том, что они используют неспецифическое оборудование и обычные материалы в качестве ресурсов, им не нужны дорогие формы, как в случае литья под давлением, и не требуется долгий и производящий много отходов процесс обработки на фрезерных и подобных станках. Всё производство сводится к подаче на вход устройства печати 3D-модели и одного или нескольких входных материалов – и это устройство превращает 3D-модель в физический предмет с очень небольшим количеством отходов.

В ядерной индустрии не обошли вниманием эти преимущества. В итоге на 3D-принтерах изготавливаются различные компоненты – от тех, что поддерживают работоспособность существующих реакторов до инструментов, помогающих обработку отработанного топлива и даже ядерных реакторов целиком.

Это вам не обычное моделирование методом наплавления

Любой пользователь 3D-принтера, работающего с пластиками PLA, ABS или чувствительной к ультрафиолету смолой SLA может подтвердить, что стоимость производства предметов таким способом сложно перебить. Процесс производства всего, от сломавшейся шестерёнки в двигателе до специального корпуса новой печатной платы, будет быстрее и дешевле традиционных – если речь идёт об изготовлении небольшого количества экземпляров.


В Relativity Space печатают двигатель Aeon Engine

Именно из-за этого аэрокосмическая индустрия, от НАСА до стартапов из этой области, тепло относится к использованию аддитивных технологий для прототипирования и непосредственно производства. Ракетные двигатели и их бесчисленные компоненты, включая турбонасосы и клапаны, идеально производить при помощи 3D-печати. Каждый прототип двигателя отличается от предыдущего, а всего их производят по нескольку сотен в год – как в случае с двигателем Merlin 1D от ракеты SpaceX Falcon 9. Стартапы, в частности, Relativity Space, предполагают, что использование аддитивных технологий полностью преобразит космическую индустрию.

Естественно, тут уже речь идёт не о принтере стоимостью до $2000, изготавливающем по FDM-технологии (моделирование методом послойного наплавления) детальки из пластика PLA или ABS. И даже не о модных SLA-принтерах (лазерная стереолитография), стоимостью в автомобиль. Чтобы печатать алюминиевые, или даже титановые детали, нужен SLM-принтер (избирательное лазерное плавление), он же принтер прямого лазерного плавления металла. Это ещё один шаг после принтеров SLS (селективного лазерного спекания), связывающих материалы вместе (нейлон, металл, керамику или стекло), но не плавящих их.

SLM похоже на SLA, только принцип печати получается обратным. Свежий металлический порошок добавляется сверху печатаемой детали, лазер расплавляет его и добавляет новый слой. Всё происходит в герметичном контейнере, заполненном инертным газом во избежание окисления. Можно догадаться, что машины для SLM стоят уже примерно как целый дом.

Для сравнения на сайте All3DP есть такая табличка, где перечислена стоимость изготовления стандартной модели кораблика Benchy при печати из различных металлов.

Ядерный реактор

Следующим естественным шагом аддитивных технологий будет переход от теплового ада ракетного двигателя к более спокойной – хотя и, возможно, более радиоактивной – среде ядерного реактора. Ядерные реакторы выгодно изготавливать в большом количестве, тогда работает экономия на масштабе. Однако за последние десятилетия в США, к примеру, этот рынок практически исчез, хотя раньше он был достаточно обширным.

Когда бывшие гиганты ядерной индустрии захотели снова вернуться в игру – США с реактором AP1000 и Франция с реактором EPR – обнаружилось, что точно такие же АЭС были построены в Китае (имеющем сильную ядерную промышленность). 4 реактора AP1000 и 2 реактора EPR подключили к энергосети за много лет до того, как в странах, разработавших их, планируется их построить и подключить. Иронично, что охлаждающие насосы в AP1000, произведённые в США, подвержены постоянным отказам.

Проблема любого значительного инфраструктурного проекта – в наличии нужных знаний и цепочек поставки. Когда страна регулярно строит и поддерживает АЭС, в ней сохраняются и цепочки поставок, и специалисты, требуемые для работы с ними. Когда страна прекращает строить новые АЭС на несколько десятилетий, цепочки поставок исчезают, а знания утрачиваются. Конечно, можно заново отстроить всё производство и привлечь людей, однако есть смысл рассмотреть более эффективные подходы к производству подобного оборудования.

В попытке США догнать такие страны, как Канаду, Россию [находящуюся на первом месте в мире по количеству строящихся АЭС] и Южную Корею, министерство энергетики США поставило перед Ок-Риджской национальной лабораторией задачу возглавить программу Transformational Challenge Reactor (TCR). Программа должна «продемонстрировать революционный подход к развёртыванию новых систем ядерной энергии». По сути, цель проекта – печатать на 3D-принтерах как можно больше микрореакторов для демонстрации возможностей, предлагаемых аддитивными технологиями.

Работа над деталями

Совместно с Аргоннской национальной лабораторией (ANL) и Национальной лабораторией Айдахо (INL) ORNL прорабатывает множество деталей, связанных с таким радикальным изменением производственного процесса, с учётом повышенных требований к материалам, используемым на ядерном реакторе. Встают вопросы о тепловой деформации и усталости материалов по сравнению с компонентами, изготовляемыми обычным способом. Некоторые из результатов этих исследований описаны в новой работе, по которой можно получить представление о количестве труда, вложенного в исследование жизнеспособности подобного подхода.

ANL уже публиковала открытия, сделанные в процессе SLM-печати при использования высокоскоростной съёмки в рентгеновском диапазоне, позволяющей в деталях рассмотреть процесс. Одна из основных обнаруженных ими проблем связана с вынужденным потоком воздуха, из-за которого более холодный материал засасывает в расплавленную массу. В итоге эти кусочки холодного материала приводят к появлению дефектов в готовом изделии.

В списке фактов проекта TCR описано, что микрореактор должен будет использовать топливные частицы TRISO (нитрид урана), замедлитель нейтронов из гидрида иттрия и ядро из карбида кремния и нержавеющей стали, напечатанное на 3D-принтере. Охлаждаться реактор будет гелием, что довольно уникально, поскольку большинство современных реакторов используют для охлаждения воду, тяжёлую воду или натрий.

Поскольку программа TCR довольно молода (первая публикация датируется 2019 годом) тяжело оценить её прогресс или понять, что можно от неё ожидать. Для этого можно оценить, что уже получилось в процессе интеграции аддитивных технологий в ядерную индустрию.

Интеграция аддитивных технологий в ядерную индустрию

Пока что на 3D-принтере для ядерных реакторов печатают относительно простые компоненты. В 2017 году Siemens заменила крыльчатку размером 108 мм в противопожарном насосе на АЭС в городе Кршко в Словении копией, напечатанной на 3D-принтере. Компания-производитель оригинального насоса уже закрылась, поскольку насос ставили где-то в 1980 году.

Westinghouse тоже работает в этом направлении, и недавно установила распечатанную на 3D-принтере муфту на первый модуль АЭС Байрон. Это устройство удерживает топливные стержни, пока они опускаются в реактор. Одним из основных мотивов её установки служит желание понять, как будет влиять среда ядерного реактора на материалы, распечатанные на 3D-принтере, и будет ли разница с компонентами, изготовленными обычным способом.

Подытожим

Ясно, что у 3D-печати есть многообещающее будущее на производстве. В случае ядерной промышленности она не только предлагает хороший способ производить запчасти на замену для реакторов возрастом более 60 лет, более половины поставщиков которых уже закрылись или поменяли производство. Наряду с большим количеством других новых производственных технологий она также предлагает замечательные новые возможности для производства ядерных реакторов следующих поколений, будь то реакторы на синтезе или распаде.

Очевидных преимуществ у неё много – ускорять прототипирование новых реакторов и концепций, обеспечивать функционирование реакторов в удалённых поселениях и будущих колониях на Луне и Марсе без необходимости полагаться на сложную цепочку поставок. Не на последнем месте стоит и вопрос стоимости – производство реактора таким методом должно обойтись значительно дешевле, и, возможно, позволит производить и собирать реакторы прямо на местах.

Всё это, очевидно, не очень интересно людям, не имеющим доступа к SLM-принтерам – но, кто знает, возможно, лет через десять мы все будем печатать у себя дома собственные ракетные двигатели и компоненты термоядерных реакторов.