Kodolreaktora sirdī katram metāla gramam ir jāveic dubults uzdevums: izturēt koroziju un neuzsūkt neitronus. Zircaloy-4 ir meistarīgs abos, taču tas vienmēr ir bijis biezs un smags. Piedevu ražošanā tagad tas tiek iespiests vieglā,{6}}režģa pildītā šūnveida šūnā, kas ir stiprāka, izmanto pusi mazāk materiāla un efektīvāk pārnes siltumu. Uzlabotās reaktoru izstrādes programmās inženieri pēta, kā sarežģītas 3D drukātas cirkonija struktūras varētu būtiski pārveidot kodolsiltuma apmaiņas konstrukciju.
Ietvaros topošajā jomāpiedevu ražošana Zircaloy-4 kodolsiltummainisTehnoloģija, uz lāzera{0}}bāzēta metāla drukāšana nodrošina tādas ģeometrijas, kuras parastā mehāniskā apstrāde un cauruļu izgatavošana nekad nevarētu ekonomiski radīt.
Kāpēc Zircaloy-4 ir svarīgs kodolsistēmās
Zircaloy-4 ir cirkonija-alvas sakausējums, ko plaši izmanto kodolreaktoros, jo tajā ir apvienotas vairākas neparasti vērtīgas īpašības:
Ārkārtīgi zema neitronu absorbcija
Spēcīga izturība pret koroziju augstā{0}}temperatūras ūdenī
Laba mehāniskā stabilitāte
Labvēlīga starojuma tolerance
Kodoltehnikā neitronu ekonomika ir kritiska. Konstrukciju materiāli, kas absorbē pārāk daudz neitronu, samazina reaktora efektivitāti un degvielas izmantošanu. Tāpēc cirka sakausējumi ir īpaši vērtīgi komponentiem, kas atrodas netālu no reaktora aktīvās zonas.
Tradicionālās ražošanas ierobežojumi
Vēsturiski Zircaloy komponenti ir ražoti, izmantojot:
Caurules rasējums
Kalšana
Ripošana
Mehāniskā apstrāde
Šīs metodes dod priekšroku salīdzinoši vienkāršām ģeometrijām ar konservatīvu sienu biezumu. Rezultātā daudzas siltummaiņu struktūras paliek smagākas un apjomīgākas nekā teorētiski nepieciešams.
Tradicionālā ražošana arī ierobežo to, cik precīzi dzesēšanas šķidruma plūsmas ceļus var optimizēt siltuma efektivitātei.
Kā darbojas Laser Powder Bed Fusion
Piedevu ražošana pilnībā maina dizaina vienādojumu.
Slānis-pēc-slāņa uzbūves
Lāzera pulvera slāņa saplūšanas gadījumā plāns Zircaloy-4 pulvera slānis tiek uzklāts uz konstrukcijas virsmas. Augstas enerģijas lāzers pēc tam selektīvi izkausē noteiktus reģionus saskaņā ar digitālā dizaina modeli.
Process atkārtojas slāni pa slānim, līdz tiek izveidots viss komponents.
Šī pieeja ļauj:
Plānās{0}}sienu konstrukcijas
Iekšējie plūsmas kanāli
Šūnu režģi
Topoloģija{0}}optimizētas ģeometrijas
Integrēti siltuma ceļi
Pulvera-slāņa printeris ar mikroskopisku precizitāti kaldina nākamās paaudzes reaktoru metālus.
Kontrolēta inerta atmosfēra ir būtiska
Cirkonija sakausējumi ir ļoti reaģējoši paaugstinātā temperatūrā. Tāpēc piedevu ražošanas laikā procesa kamerai jādarbojas stingri kontrolētā inertā atmosfērā.
Bez skābekļa un slāpekļa kontroles izkausētais cirkalijs var absorbēt atmosfēras piesārņotājus, kas noārdās:
Elastīgums
Izturība pret koroziju
Lūzumu stingrība
Kodolenerģijas veiktspēja
Drukāšanas laikā parasti ir nepieciešama argona atmosfēra ar ārkārtīgi zemu piemaisījumu līmeni.
Dabas iedvesmotas biomimētiskās struktūras
Viena no svarīgākajām piedevu ražošanas priekšrocībām ir ģeometriskā brīvība.
Trabecular Bone{0}}iedvesmoti dizaini
Inženieri arvien vairāk izmanto trabekulārā kaula iedvesmotas struktūras, kur materiāls tiek izplatīts tikai tur, kur to prasa spriegumi.
Šajos dizainos:
Augsta{0}}stresa reģioni paliek stabili
Zema-sprieguma apgabali kļūst par režģi-līdzīgi
Plānas krustojošās sloksnes efektīvi atbalsta konstrukcijas slodzes
Tādējādi tiek radīti komponenti, kas ir gan vieglāki, gan mehāniski izturīgi.
Svara samazināšana, nezaudējot spēku
Uzlabotas mobilās arhitektūras var samazināt kopējo materiālu patēriņu un komponentu svaru par tik daudz, cik:
Δm≈40%\\Delta m \\apmēram 40\\%Δm≈40%
vienlaikus saglabājot nepieciešamo spiediena ietilpību un konstrukcijas stingrību.
Kodolsistēmās komponentu masas samazināšana var uzlabot:
Reaktora kompaktums
Termiskā efektivitāte
Pasīvā dzesēšanas uzvedība
Seismiskā veiktspēja
Degvielas patēriņš
Uzlabota siltuma pārnese, izmantojot ģeometrisko optimizāciju
Tradicionālie cauruļu komplekti rada ievērojamus dizaina ierobežojumus dzesēšanas šķidruma plūsmas ģeometrijai.
Optimizēts hidrauliskais diametrs
Piedevu ražošana ļauj veidot iekšējos kanālus ar neparastu precizitāti. Dzesēšanas šķidruma kanālu hidraulisko diametru var noregulēt, lai līdzsvarotu:
Spiediena kritums
Siltuma pārneses koeficients
Plūsmas stabilitāte
Virsmas laukuma blīvums
Sarežģītās iekšējās virsmas palielina pieejamo siltuma pārneses laukumu, būtiski nepalielinot siltummaiņa nospiedumu.
Plānas{0}}sienu šūnu siltummaiņi
Apdrukātās Zircaloy struktūrās var būt:
Žiroīda režģi
Trīs reizes periodiski minimālas virsmas
Šūnu matricas
Sazaroti mikrokanāli
Šīs ģeometrijas rada īpaši augstu virsmas -laukuma- un -tilpuma attiecību, kas nav iespējama ar tradicionāli ražotiem cauruļu saišķiem.
Rezultāts ir potenciāli lielāka termiskā veiktspēja mazākā reaktora tilpumā.
Zemas neitronu absorbcijas saglabāšana
Viens no svarīgākajiem tehniskajiem sasniegumiem ir tas, ka pareizi ražots apdrukāts Zircaloy var saglabāt sakausējuma ārkārtīgi zemo neitronu uztveršanas šķērsgriezumu-.
Kāpēc tas ir svarīgi
Daudzi uzlaboti sakausējumi, kas piemēroti piedevu ražošanai, darbojas slikti{0}}kodolā, jo tie absorbē pārmērīgu neitronu daudzumu. Zircaloy-4 joprojām ir pievilcīgs, jo tas apvieno:
Izgatavojamība
Izturība pret koroziju
Kodolenerģijas caurspīdīgums
Tas padara piedevu ražošanu īpaši daudzsološu:
Mazie modulārie reaktori (SMR)
Kompakti mikroreaktori
Iekšējie-siltummaiņi
Avārijas{0}}noturīgas degvielas sistēmas
Uzlabotas degvielas apšuvuma koncepcijas
Zemas neitronu absorbcijas saglabāšana, vienlaikus samazinot strukturālo masu, rada būtiskas dizaina priekšrocības nākotnes reaktoru arhitektūrām.
Kvalifikācijas izaicinājumi joprojām ir nozīmīgi
Neskatoties uz solījumu, kodolenerģētikas kvalifikācijas standarti joprojām ir ārkārtīgi augsti.
Kodolenerģijas sertifikācijas prasības
Drukātajām kodolkomponentēm ir jāpierāda:
Atkārtojams blīvums
Stabila mikrostruktūra
Radiācijas pretestība
Korozijas veiktspēja
Lūzumu stingrība
Ilgtermiņa-uzticamība
Katrs procesa posms prasa stingru pārbaudi.
Piedevu ražošana ievieš papildu mainīgos lielumus, tostarp:
Slāņa saplūšanas konsistence
Atlikušie spriegumi
Porainības kontrole
Pulvera ķīmijas stabilitāte
Veidojiet orientācijas efektus
Kodolenerģijas izvietošanai pat mikroskopiskām neatbilstībām ir nepieciešams plašs raksturojums.
Nacionālo laboratoriju un rūpniecības aktīvi pētījumi
Pētniecības programmas, kurās iesaistītas valstu laboratorijas, universitātes un reaktoru pārdevēji, aktīvi pēta šīs problēmas.
Galvenās pētniecības jomas ir:
Apstarošanas pārbaude
Pēc-būves termiskās apstrādes
In{0}}procesu uzraudzība
Defektu noteikšana
Kvalifikācijas ietvari
Lai gan komerciālā izvietošana joprojām tiek izstrādāta, impulss palielinās, jo progresīvās reaktoru programmas meklē vieglākas un efektīvākas siltuma sistēmas.
Iespējamā ietekme uz reaktora dizainu
Ietekme pārsniedz tikai siltummaiņa veiktspēju.
Mazākas un drošākas reaktoru arhitektūras
Samazinot komponentu svaru un palielinot siltuma pārneses efektivitāti, piedevu ražošana var palīdzēt:
Mazāki reaktora serdeņi
Zemāks dzesēšanas šķidruma krājums
Ātrāka pasīvā siltuma noņemšana
Kompaktākas ierobežošanas sistēmas
Uzlabota pasīvā drošība ir īpaši svarīga nākamās{0}}paaudzes reaktoru koncepcijās, kas paredzētas vienkāršotai darbībai un zemākām būvniecības izmaksām.
Ļoti optimizētas drukātās ģeometrijas varētu arī samazināt kodolu aptverošā strukturālā materiāla daudzumu, uzlabojot neitronu ekonomiju un kopējo reaktora efektivitāti.
Secinājums
Piedevu ražošana paver jaunu robežu Zircaloy-4 siltummaiņa tehnoloģijai, nodrošinot vieglas, režģa-struktūras ar ievērojami uzlabotu ģeometrisko efektivitāti. Izmantojot lāzera pulvera slāņa saplūšanu, inženieri var izveidot plānsienu šūnu arhitektūras, kas samazina svaru līdz pat 40%, vienlaikus palielinot siltuma pārneses laukumu un saglabājot kodolenerģijai nepieciešamās zemās neitronu absorbcijas īpašības.
Lai gan drukāto kodolkomponentu kvalifikācijas prasības joprojām ir stingras, valstu laboratorijas un reaktoru izstrādātāji turpina virzīt tehnoloģiju uz praktisku izvēršanu. Papildu ražošana galu galā var ļaut nākotnes reaktoru sistēmām kļūt mazākām, vieglākām un termiski efektīvākām, vienlaikus saglabājot kodolinženierijas pieprasītās drošības robežas.
Nākamās paaudzes kodolizolācijas siltummaiņi var rasties nevis no tradicionālajām apstrādes zālēm, bet gan no pulvera-gultu sistēmām, kas ražo struktūras, kas nav biezākas par papīra loksni, tomēr spēj izturēt milzīgās prasības, kas tiek izvirzītas atoma kontrolētajai jaudai.
