Klimaat & energie › SMR's & next-gen kernenergie
Robotarmen printen drukvat voor kerncentrale, VS lost smeedtekort op
Amerikaanse onderzoekers hebben voor het eerst een groot drukvat voor kernenergie geprint met drie samenwerkende robotarmen. De techniek moet een tekort aan smeedcapaciteit opvangen dat de bouw van nieuwe kerncentrales in de VS dreigt te vertragen.
Twee Amerikaanse onderzoekslaboratoria hebben een belangrijke stap gezet in de productie van kernreactoronderdelen. Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en Idaho National Laboratory (INL) printten een drukvat van ongeveer 90 bij 150 centimeter met een systeem van drie robotarmen die samenwerken. Het vat is gemaakt van een staallegering die geschikt is voor gebruik in kerncentrales. Drukvaten vormen de kern van elke kerncentrale: ze moeten jarenlang extreme druk, hitte en straling doorstaan zonder te bezwijken.
De VS kampt met een groeiend probleem: er is te weinig capaciteit om dit soort zware, dikwandige onderdelen te smeden. Traditioneel worden reactorvaten gesmeed uit enorme metalen blokken, een proces dat weinig fabrieken ter wereld nog aankunnen. Dat tekort dreigt de Amerikaanse plannen voor nieuwe kerncentrales te vertragen, juist nu het land zijn kernenergiecapaciteit fors wil uitbreiden.
Drie armen, één vat
Voor de demonstratie gebruikte ORNL een platform genaamd MedUSA, dat drie robotarmen tegelijk aanstuurt. De armen smelten staaldraad met elektrische bogen en bouwen daarmee laag voor laag een metalen structuur op, een vorm van additieve fabricage die bekendstaat als draadboogprinten. Het resultaat was een gesloten, complex vat dat qua materiaal en afmetingen relevant is voor de nucleaire industrie. Het is een van de eerste keren dat zo'n groot en gesloten drukvat via 3D-printen is vervaardigd in plaats van gesmeed.
Kwaliteit meten tijdens het printen
Een geprint vat is pas bruikbaar als het aantoonbaar aan strenge veiligheidseisen voldoet. Daarom combineren de laboratoria het printen met digitale technieken en realtime monitoring: tijdens het printen volgen sensoren de vorm en de materiaaleigenschappen van het onderdeel. Het uiteindelijke doel is wat ORNL 'born-qualified' onderdelen noemt: componenten waarvan de kwaliteit al tijdens de productie wordt vastgesteld, in plaats van pas na afloop via langdurige tests. INL brengt hiervoor kennis in op het gebied van nucleaire materialen, digital engineering en data science. Jorgen Rufner, hoofd van de geavanceerde-fabricagegroep bij INL, zegt dat onderzoekers de prestaties van een onderdeel willen beoordelen terwijl het nog wordt gemaakt. Dat kan de goedkeuringstrajecten die aan nucleaire hardware voorafgaan flink verkorten.
De aanpak is niet helemaal nieuw voor de laboratoria. Eerder printte ORNL met dezelfde techniek en hetzelfde materiaal al beugels voor neutronensensoren, bestemd voor de R1 Mark-0 microreactor van het bedrijf Antares Nuclear. Die reactor bereikte in juni bij INL voor het eerst kriticaliteit, het punt waarop een kernreactie zichzelf in stand houdt.
Bredere toepassing in het verschiet
Op de langere termijn kan de techniek verder reiken dan kernenergie alleen. Zware, hoogwaardige metalen onderdelen zijn ook onmisbaar in de lucht- en ruimtevaart, defensie, chemische industrie en de olie- en gassector. Als de laboratoria erin slagen om geprinte drukvaten betrouwbaar te maken én snel goed te keuren, ontstaat er een extra productieroute naast de beperkte smeedcapaciteit. Dat zou kunnen helpen om nieuwe reactorontwerpen sneller om te zetten in werkende centrales, terwijl de Amerikaanse vraag naar kernenergie blijft groeien.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als 3D-printen een volwaardig alternatief wordt voor het smeden van drukvaten, verdwijnt een belangrijke bottleneck voor de bouw van nieuwe kerncentrales. Dat kan de opschaling van kernenergie in de VS versnellen en dezelfde techniek opent ook deuren voor andere sectoren die zware, hittebestendige onderdelen nodig hebben, zoals de ruimtevaart en chemische industrie.
- Draadboogprinten
- Een vorm van 3D-printen waarbij een robotarm metaaldraad met een elektrische boog smelt en laag voor laag een object opbouwt.
- Drukvat
- Het zware, drukbestendige vat dat in een kerncentrale de reactorkern of andere onder druk staande processen omsluit.
- Smeden
- Traditionele techniek waarbij metaal onder hoge druk en hitte in vorm wordt geperst, gebruikt voor grote industriële onderdelen.
- Additieve fabricage
- Verzamelnaam voor technieken waarbij een object laag voor laag wordt opgebouwd, in plaats van uit een groter geheel te worden gesneden of gegoten.
- Digital engineering
- Het gebruik van digitale modellen en sensordata om een product tijdens het ontwerp- en productieproces te volgen en te verbeteren.
- Microreactor
- Een klein type kernreactor dat compact genoeg is voor bijvoorbeeld afgelegen locaties of specifieke industriële toepassingen.
- Kriticaliteit
- Het punt waarop een kernreactor een kettingreactie op gang brengt die zichzelf in stand houdt.
- Neutronensensor
- Een meetinstrument dat de hoeveelheid neutronen in een reactor registreert, belangrijk om het reactieproces te bewaken.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
