Tuumareaktori südames peab iga metalligramm täitma kahekordset ülesannet: olema korrosioonile vastupidav ja mitte imema neutroneid. Zircaloy-4 on meister mõlemas, kuid seda on alati tehtud paksuks ja raskeks. Lisandite tootmisel trükitakse see nüüd kergeks, võrega{6}}täidetud kärgstruktuuriks, mis on tugevam, kasutab poole vähem materjali ja edastab soojust tõhusamalt. Täiustatud reaktorite arendusprogrammides uurivad insenerid, kuidas keerulised 3D-prinditud tsirkooniumstruktuurid võivad tuumasoojusvaheti disaini põhjalikult ümber kujundada.
Tekkiva valdkonna piireslisandite tootmine Zircaloy-4 tuumasoojusvahetitehnoloogia, võimaldab laser{0}}põhine metalliprintimine geomeetrilisi kujundeid, mida tavapärane mehaaniline töötlemine ja torude valmistamine ei suuda kunagi majanduslikult toota.
Miks Zircaloy-4 on tuumasüsteemides oluline?
Zircaloy-4 on tsirkooniumi-tina sulam, mida kasutatakse laialdaselt tuumareaktorites, kuna see ühendab endas mitmeid ebatavaliselt väärtuslikke omadusi:
Äärmiselt madal neutronite neeldumine
Tugev korrosioonikindlus kõrgel{0}}temperatuuril vees
Hea mehaaniline stabiilsus
Soodne kiirgustaluvus
Tuumatehnikas on neutronite ökonoomsus kriitiline. Liiga palju neutroneid neelavad konstruktsioonimaterjalid vähendavad reaktori efektiivsust ja kütuse kasutamist. Tsirkalaosulamid on seetõttu eriti väärtuslikud reaktori südamiku lähedal asuvate komponentide jaoks.
Tavapärase valmistamise traditsioonilised piirangud
Ajalooliselt on Zircaloy komponente toodetud:
Toru joonistamine
Sepistamine
Veeremine
Mehaaniline töötlemine
Need meetodid eelistavad suhteliselt lihtsaid geomeetriaid konservatiivse seinapaksusega. Selle tulemusena jäävad paljud soojusvaheti struktuurid raskemaks ja mahukamaks kui teoreetiliselt vajalik.
Tavapärane valmistamine piirab ka seda, kui täpselt saab jahutusvedeliku vooluteid soojusliku efektiivsuse saavutamiseks optimeerida.
Kuidas Laser Powder Bed Fusion töötab
Lisatootmine muudab disainivõrrandit täielikult.
Kiht-Kihi ehituse järgi-
Laserpulbrikihi sulatamisel jaotatakse õhuke kiht Zircaloy-4 pulbrit kogu ehituspinnale. Kõrge energiaga laser sulatab seejärel valikuliselt teatud piirkonnad vastavalt digitaalsele disainimudelile.
Protsess kordub kihtide kaupa, kuni moodustub terviklik komponent.
See lähenemisviis võimaldab:
Õhukeseseinalised{0}}konstruktsioonid
Sisemised voolukanalid
Rakuvõred
Topoloogia{0}}optimeeritud geomeetria
Integreeritud termilised rajad
Pulber{0}}kihtprinter sepistab mikroskoopilise täpsusega järgmise põlvkonna reaktormetalle.
Kontrollitud inertne atmosfäär on hädavajalik
Tsirkooniumisulamid on kõrgel temperatuuril väga reaktsioonivõimelised. Lisandite valmistamise ajal peab protsessikamber seetõttu töötama rangelt kontrollitud inertses atmosfääris.
Ilma hapniku ja lämmastiku kontrollita võib sulatatud tsirkaloy absorbeerida atmosfääri saasteaineid, mis lagunevad:
Plastilisus
Korrosioonikindlus
Murde sitkus
Tuumaenergia jõudlus
Tavaliselt on printimisel vaja argooni atmosfääri, mille lisandisisaldus on väga madal.
Loodusest inspireeritud biomimeetilised struktuurid
Lisandite valmistamise üks olulisemaid eeliseid on geomeetriline vabadus.
Trabecular Bone{0}}inspireeritud kujundused
Insenerid kasutavad üha enam trabekulaarluust inspireeritud struktuure, kus materjali jaotatakse ainult seal, kus pinge seda nõuab.
Nendes kujundustes:
Kõrge -stressiga piirkonnad jäävad püsima
Madala-pingega piirkonnad muutuvad võre-sarnaseks
Õhukesed ristuvad kangad toetavad tõhusalt konstruktsioonikoormust
See loob komponendid, mis on nii kergemad kui ka mehaaniliselt tugevad.
Kaalulangus jõudu ohverdamata
Täiustatud mobiilsidearhitektuurid võivad vähendada materjali kogukasutust ja komponentide kaalu nii palju kui:
Δm≈40%\\Delta m \\umbes 40\\%Δm≈40%
säilitades samal ajal nõutava survevõime ja konstruktsiooni jäikuse.
Tuumasüsteemides võib komponentide massi vähendamine parandada:
Reaktori kompaktsus
Soojusefektiivsus
Passiivne jahutuskäitumine
Seismiline jõudlus
Kütuse kasutamine
Täiustatud soojusülekanne geomeetrilise optimeerimise kaudu
Traditsioonilised torukimbud seavad jahutusvedeliku voolu geomeetriale olulisi disainipiiranguid.
Optimeeritud hüdrauliline läbimõõt
Lisatootmine võimaldab kujundada sisemisi kanaleid erakordse täpsusega. Jahutusvedeliku kanalite hüdraulilist läbimõõtu saab häälestada tasakaalustamiseks:
Rõhu langus
Soojusülekande koefitsient
Voolu stabiilsus
Pinna tihedus
Komplekssed sisepinnad suurendavad saadaolevat soojusülekande pindala ilma soojusvaheti jalajälge märkimisväärselt suurendamata.
Õhukese{0}}seinaga kärgsoojusvahetid
Prinditud Zircaloy struktuurid võivad sisaldada:
Gyroidvõred
Kolm korda perioodiliselt minimaalseid pindu
Rakulised maatriksid
Hargnenud mikrokanalid
Need geomeetrilised kujundid loovad erakordselt kõrge pinna-pindala---mahu suhte, mis on tavapäraselt valmistatud torukimpude puhul võimatu.
Tulemuseks on potentsiaalselt suurem termiline jõudlus väiksemas reaktori mahus.
Madala neutronite neeldumise säilitamine
Üks olulisemaid tehnilisi saavutusi on see, et korralikult valmistatud trükitud Zircaloy suudab säilitada sulami erakordselt madala neutronite sidumise ristlõike-.
Miks see on oluline
Paljud täiustatud sulamid, mis sobivad lisandite tootmiseks, toimivad halvasti{0}}südamikus, kuna neelavad liigseid neutroneid. Zircaloy-4 jääb atraktiivseks, kuna see ühendab:
Valmistatavus
Korrosioonikindlus
Tuumaenergia läbipaistvus
See muudab lisandite tootmise eriti paljutõotavaks:
Väikesed modulaarsed reaktorid (SMR)
Kompaktsed mikroreaktorid
In-südamiku soojusvahetid
Õnnetuskindlad{0}}kütusesüsteemid
Täiustatud kütusekatte kontseptsioonid
Madala neutronite neeldumise säilitamine, vähendades samal ajal struktuurset massi, loob tulevaste reaktoriarhitektuuride jaoks olulisi disainieeliseid.
Kvalifikatsiooniprobleemid on endiselt olulised
Vaatamata lubadusele on tuumaenergia kvalifikatsioonistandardid endiselt äärmiselt nõudlikud.
Tuumaenergia sertifitseerimise nõuded
Prinditud tuumakomponendid peavad näitama:
Korratav tihedus
Stabiilne mikrostruktuur
Kiirguskindlus
Korrosioonikindlus
Murde sitkus
Pikaajaline{0}}usaldusväärsus
Iga protsessi etapp nõuab põhjalikku kontrolli.
Lisandite tootmine toob kaasa täiendavaid muutujaid, sealhulgas:
Kihi sulamise konsistents
Jääkpinged
Poorsuse kontroll
Pulberkeemiline stabiilsus
Ehitage orientatsiooniefekte
Tuuma kasutuselevõtuks nõuavad isegi mikroskoopilised ebakõlad ulatuslikku iseloomustamist.
Riiklike laborite ja tööstuse aktiivne uurimine
Riiklikke laboreid, ülikoole ja reaktorimüüjaid hõlmavad uurimisprogrammid uurivad neid väljakutseid aktiivselt.
Peamised uurimisvaldkonnad hõlmavad järgmist:
Kiirituskatsed
Post{0}}ehitise kuumtöötlus
In-situ protsessi jälgimine
Defektide tuvastamine
Kvalifikatsiooniraamistikud
Kuigi kaubanduslik kasutuselevõtt on endiselt arendusjärgus, hoogustub hoog, kuna täiustatud reaktoriprogrammid otsivad kergemaid ja tõhusamaid soojussüsteeme.
Võimalik mõju reaktori projekteerimisele
Mõju ulatub kaugemale ainult soojusvaheti jõudlusest.
Väiksemad ja turvalisemad reaktoriarhitektuurid
Komponentide massi vähendades ja soojusülekande efektiivsust suurendades võib lisandite tootmine aidata võimaldada:
Väiksemad reaktorisüdamikud
Madalam jahutusvedeliku varu
Kiirem passiivne soojuse eemaldamine
Kompaktsemad isolatsioonisüsteemid
Täiustatud passiivne ohutus on eriti oluline järgmise{0}}põlvkonna reaktorikontseptsioonide puhul, mis on loodud lihtsustama toimimist ja madalamaid ehituskulusid.
Väga optimeeritud trükitud geomeetria võib samuti vähendada südamikku ümbritseva konstruktsioonimaterjali hulka, parandades neutronite ökonoomsust ja üldist reaktori efektiivsust.
Järeldus
Lisandite tootmine avab Zircaloy-4 soojusvahetitehnoloogiale uue piiri, võimaldades järsult paranenud geomeetrilise efektiivsusega kergeid, võre-põhiseid struktuure. Laserpulberkihi liitmise abil saavad insenerid luua õhukese seinaga rakuarhitektuure, mis vähendavad kaalu kuni 40%, suurendades samal ajal soojusülekande pindala ja säilitades tuumatalitluse jaoks olulised madalad neutronite neeldumisomadused.
Kuigi trükitud tuumakomponentide kvalifikatsiooninõuded on endiselt ranged, jätkavad riiklike laborite ja reaktorite arendajate teadustööd tehnoloogia edasiviimist praktilise kasutuselevõtu suunas. Lisatootmine võib lõppkokkuvõttes võimaldada tulevastel reaktorisüsteemidel muutuda väiksemaks, kergemaks ja termiliselt tõhusamaks, säilitades samas tuumatehnoloogia nõutavad ohutusvarud.
Järgmise põlvkonna tuumasoojusvahetid võivad tekkida mitte tavapärastest töötlussaalidest, vaid pulber{0}}kihtsüsteemidest, mis ei too paberilehest paksemaid struktuure, kuid suudavad ellu jääda aatomi kontrollitavale võimsusele esitatavate tohutute nõudmiste tõttu.
