L’AM diventa nucleare: l’USNC spiega come utilizza la stampa 3D per produrre il suo carburante FCM

Jan 11, 2024

"La nostra missione è fornire energia affidabile ovunque", esordisce il dottor Kurt Terrani.

L'ex Direttore Tecnico Nazionale pressoLaboratorio nazionale di Oak Ridge(ORNL) parlaTCTnel suo ultimo ruolo di direttore presso la sede di SeattleSocietà nucleare ultrasicura (USNC). Ritiene che l'USNC sia "all'avanguardia" nel campo del combustibile nucleare e della progettazione dei reattori, con la disponibilità commerciale del combustibile completamente ceramico-microincapsulato (FCM) destinato a rappresentare un "momento spartiacque nella produzione di energia a zero emissioni di carbonio" negli Stati Uniti e oltre .

Sostenere l'ambizione dell'azienda èQuello di ExOne tecnologia a getto di legante, che facilita un passo fondamentale nella produzione del carburante FCM dell'UNSC. L'USNC sta lavorando con due proposte di valore. Il primo riguarda i progetti di reattori nucleari che, finché è presente la gravità e il fluido caldo sale verso l’alto mentre il fluido freddo scende verso il basso, sono intrinsecamente sicuri. E il secondo è la forma di combustibile FCM che introduce molteplici barriere al rilascio di radionuclidi, garantendo così la sicurezza nucleare.

FCM utilizza il carburante TRISO standard del settore, che contiene i sottoprodotti radioattivi della fissione all'interno di rivestimenti ceramici stratificati, racchiusi all'interno di una matrice di carburo completamente densa. Terrani spiega: "L'intero gioco è mantenere le radiazioni all'interno del nocciolo del reattore nucleare. In alcuni dei progetti [convenzionali], costruiscono grandi recipienti e grandi cupole di contenimento in cemento [ma] queste persone hanno deciso molto tempo fa quando trasferire quel peso al reattore nucleare. il carburante stesso, quindi hanno creato piccole particelle di carburante – circa un millimetro di diametro – e hanno messo attorno ad esse vari strati di rivestimento ceramico."

Storicamente, le particelle di carburante potrebbero essere collocate in una colla di carbonio che tiene insieme piccoli recipienti a pressione, ma non si ritiene che ciò fornisca "molti vantaggi sul rilascio di radionuclidi". Mitigare tale rilascio è l'obiettivo dell'USNC e, per farlo, ha cercato di posizionare le particelle di carburante in gusci di carburo di silicio, che sono stabili dal punto di vista meccanico, termico e ambientale. In precedenza è stata una sfida produrre carburo di silicio ad alta purezza, ma la produzione additiva è considerata la tecnologia abilitante che sta facilitando la transizione presso USNC.

"Il gold standard è sinterizzare il materiale a temperature molto, elevate – oltre 2.000°C – o eseguire questo processo chiamato deposizione chimica da vapore, [che è] estremamente costoso", afferma Terrani. "Quindi ottieni grossi pezzi di materiale che devi lavorare. Questa è un'altra sfida [perché] l'unica cosa che può tagliare il carburo di silicio è il diamante, quindi entri in questo gioco di materiali estremamente costosi, lavorazione estremamente costosa. Chiunque guardi a questo punto alla fine decide di andarsene. Beh, non potevamo andarsene. Il carburo di silicio è un materiale di cui abbiamo bisogno nella nostra proposta di valore."

La stampa 3D a getto di legante è la soluzione qui grazie alla sua capacità di lavorare i materiali a temperatura ambiente: il carburo di silicio inizierebbe a dissociarsi a temperature più elevate, quindi i processi che utilizzano un fascio di elettroni o un raggio laser possono essere esclusi.

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"Utilizziamo il getto legante per formare carburo di silicio in strutture estremamente complesse e la particolarità di questa tecnica è che offre la piena libertà 3D", continua Terrani. "Molte volte con l'additivo c'è un certo spazio in cui è possibile realizzare parti, ma con il getto di legante è realizzabile qualsiasi tipo di geometria. Quindi, prendiamo questo carburo di silicio, altamente poroso, e lo portiamo in un altro processo chiamato infiltrazione di vapori chimici. Abbiamo un corpo costituito da particelle di carburo di silicio incollate tra loro. Selezioniamo carburo di silicio molto puro e altamente cristallino, perché è quello che vogliamo per la nostra applicazione, e poi la piccola quantità di legante scompare mentre lo riscaldi. Quindi, depositi più carburo di silicio nei pori attraverso l'infiltrazione di vapori chimici.