Jaderné palivo pro mikroreaktory bude vyráběno pomocí 3D tisku

Společnost Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) zavedla dvě metody 3D tisku karbidu křemíku pro použití v inovativním plně keramickém zapouzdřeném jaderném palivu. Metody navrhla společnost Desktop Metal zabývající se právě aditivní technologií výroby různých komponent.

Speciální tiskárny X-Series pro 3D tisk pocházejí od společnosti Desktop Metal. Výroba komponent u nich probíhá pomocí technologie tryskání pojiva. USNC plánuje pořídit další dvě zařízení pro 3D tisk do konce tohoto roku.

Speciální zapouzdřené jaderné palivo (FCM) obsahuje palivové částice TRISO (TRi structural ISOtopic) obalené v materiálu karbidu křemíku. Podle výzkumné zprávy společnosti Desktop Metal je využití speciálních nástřikových technologií klíčovým krokem při výrobě jaderného paliva.

Tryskání pojiva (binder jet) je technologie 3D tisku, kde je pomocí trysek vnášeno pojivo do lože práškových částic, které se skládají z kovu, písku a keramiky. Ty poté vytvoří pevný díl. Tímto způsobem jsou tvořeny jednotlivé vrstvy. Výhodou technologie tryskání pojiva je absence těžkých a tlakových nástrojů, jaké jsou potřebné při tradiční výrobě jaderného paliva v keramické podobě.

Navíc je tento proces výroby jednodušší v použité teplotě. Aby se při standardním procesu 3D tisku spojily jednotlivé vrstvy, musí být materiál zahřátý na vysoké teploty, které jsou blízko bodu tavení daného materiálu. Ten je v případě karbidu křemíku přes 2700 °C.

Plně keramické zapouzdřené palivové pelety obsahují TRISO částice – zobrazeny modrou barvou v pokrytí se sloučeniny SiC Zdroj: USNC

Další nespornou výhodou 3D tisku je možnost výroby paliv z digitálních modelů. 3D tisk umožňuje rychlejší vývoj palivových konceptů, které mohou být založeny na jedinečných tvarech, dokonce i standardními metodami opracování materiálu nevyrobitelných.

„Technologie tryskání pojiva je cenově přijatelná, vysoce výnosná a spolehlivá pro naše potřeby sériové výroby. Pokročilá materiálová schopnost strojů řady X-Series je základem pro náš inovativní přístup k návrhu paliva,“ sdělil Kurt Terrani, výkonný viceprezident reaktorové divize společnosti USNC.

Maloformátové tiskárny InnoventX jsou nyní instalovány v zařízeních společnosti USNC v Salt Lake City a Utahu. Matrice jaderného paliva byla vyvinuta tak, aby ji bylo možné rozšířit i na větší tiskárny typu X25Pro a X160Pro.

Na začátku tohoto roku společnost USNC licencovala proces výroby žáruvzdorných keramických karbidů pomocí technologie 3D tryskání pojiva. Společnost plánuje zprovoznit pilotní výrobní linku v lokalitě Oak Ridge v  Tennessee, kde bude uranový prášek zpracováván do formy TRISO částic.

USNC také vyvíjí mikro modulární reaktor o tepelném výkonu 15 MW a elektrickém výkonu 5 MW. Nové inovativní palivo je vyvíjeno primárně pro tento reaktorový koncept. Malý zdroj energie bude pracovat za velmi vysokých teplot a bude chlazený plynem. Jeho licencování nyní probíhá v Kanadě a ve Spojených státech. První takový reaktor plánuje společnost Global First Nuclear provozovat již v roce 2026 v lokalitě národních laboratoří Chalk River.