So wird der 3D-Druck für nukleare Anwendungen eingesetzt

Einer der Sektoren, in denen die additive Fertigung in den letzten Jahren eine immer größere Rolle gespielt hat, ist der Energiesektor. Wir haben Ihnen bereits von den zahlreichen Anwendungen des 3D-Drucks in der Öl- und Gasindustrie berichtet, aber wussten Sie, dass er auch für nukleare Anwendungen eingesetzt wird? Die Kernkraftwerksbranche hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Daten der World Nuclear Association zeigen, dass sie 2019 mit 438 betriebsbereiten Reaktoren in 33 Ländern die zweitgrößte kohlenstoffarme Energiequelle der Welt war. Darüber hinaus belief sich die weltweite Stromerzeugung aus Kernenergie im Jahr 2020 auf 2.591 Mrd. kWh bzw. 10,1 % der gesamten weltweiten Stromerzeugung nach Angaben der U.S. Energy Information Administration (EIA). Angesichts dieser zunehmenden Beliebtheit ist es nur logisch, dass sich der Sektor auch neuen Technologien zuwendet, darunter der additiven Fertigung. Um besser zu verstehen, wie genau diese Technologie eingesetzt wird, haben wir uns einige der wichtigsten Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks in Kernkraftwerken näher angesehen – in keiner bestimmten Reihenfolge.

Ein Reaktor aus dem 3D-Drucker des ORNL

Einer der aktivsten Akteure auf dem Gebiet der Kernenergie und des 3D-Drucks ist zweifellos das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA. Das Team arbeitet seit mehreren Jahren daran, wie die additive Fertigung die Art und Weise beeinflussen kann, um die Sichtweise von Kernenergie zu ändern. Im Mai 2020 stellten sie beispielsweise den ersten Prototypen eines Reaktorkerns vor, der mit einer DED-Maschine aus 3D-Metall gedruckt wurde. Dieses Projekt ist Teil des Programms „Transformational Challenge Reactor Demonstration“ (TCR), das darauf abzielt, kostengünstigere und produktivere Energiesysteme zu entwickeln, und das alles in sehr kurzer Zeit. Der Reaktorkern wurde in nur drei Monaten vom Design bis zur Nachbearbeitung hergestellt, während der Druckprozess 40 Arbeitsstunden bei Temperaturen von bis zu 1400°C in Anspruch nahm. Im folgenden Video können Sie sich den beschleunigten 3D-Druck ansehen:

Ultra Safe Nuclear Corporation in Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory

Die Ultra Safe Nuclear Corporation ist ein US-amerikanisches Nuklearunternehmen, dessen Ziel die Entwicklung und vertikale Integration sicherer, sauberer und kommerziell wettbewerbsfähiger nuklearer Lösungen ist. Im Jahr 2022 kündigte das Unternehmen Pläne für eine Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory an, um dessen Fähigkeiten im Bereich der additiven Fertigung für die Weiterentwicklung der Kernenergie zu nutzen, und zwar durch den Einsatz des Binder-Jetting-Verfahrens für die Herstellung von modularen Mikroreaktoren. Die Wahl der additiven Fertigung ermöglicht es dem Team, die Schwierigkeiten zu überwinden, die mit der Arbeit von Siliziumkarbid, ein technisches Keramikmaterial, verbunden ist. Dadurch werden Sie Geld sparen und in der Lage sein, komplexere Geometrien als mit herkömmlichen Methoden zu entwerfen.

Tschechischer Energiekonzern optimiert Lieferkette mit 3D-Druck

ČEZ ist ein Versorgungsunternehmen und das größte öffentliche Unternehmen in Mittel- und Osteuropa. Die Nuklearabteilung des Unternehmens, die mit dem tschechischen Kernenergieunternehmen Škoda JS zusammenarbeitet, hat sich der additiven Fertigung zugewandt, die eigne Lieferkette zu optimieren und Ausfallzeiten zu verringern. Allein in diesem Jahr haben sie 4159 Kunststoff- und Metallteile mit dieser Technologie hergestellt. Nachdem die Corona-Pandemie und der Krieg in der Ukraine die geopolitische Lage verschärften und damit erhebliche Probleme in der Lieferkette auslösten, wandte sich das Unternehmen der additiven Fertigung zu. Mit einem Großdrucker können Metallteile mit einem Gewicht von bis zu 600 kg hergestellt werden, wodurch defekte Teile in kurzer Zeit ersetzt werden können. Bohdan Zronek, Vorstandsmitglied der ČEZ und Direktor der Kernenergiesparte, erläuterte, dass geometrisch einfachere Teile mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden, während sich der 3D-Druck besonders gut für komplexe Teile wie z. B. Ein Zahnrad eignet.

Neben Kunststoff war der 3D-Druck von Metall die bevorzugte Methode der Nuklearfirmen (Bild: Markforged)

Sicherheitskritische Komponenten in einem Reaktor in Alabama

In den Vereinigten Staaten gibt es nach Angaben der EIA derzeit 93 in Betrieb befindliche Kernkraftwerke. Eines davon ist das Kernkraftwerk Browns Ferry der Tennessee Valley Authority in Athens, Alabama, das zweitstärkste Kernkraftwerk des Landes. Besonders interessant für uns ist, dass die TVA, Framatome und das vom DOE Office of Nuclear Energy finanzierte Transformational Challenge Reactor (TCR)-Programm des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dort im Jahr 2021 vier 3D-gedruckte Brennelementhalterungen für den Einsatz in einem Kernreaktor installiert haben, und zwar im Block 2. Das Projekt war interessant, weil es das erste seiner Art im Land war und zeigte, dass es möglich ist, qualifizierte 3D-gedruckte Komponenten in stark regulierten Umgebungen wie Kernreaktoren einzusetzen. Die Sicherheitsverschlüsse, bei denen es sich um sicherheitskritische Komponenten handelt, wurden im Laser-Pulverbett-Verfahren aus TruForm 316 (Fe-271) hergestellt, einer Metallpulverlegierung, die aus Eisen, Nickel, Chrom und Molybdän besteht. Der 3D-Druck wurde gewählt, um die nicht-symmetrische Geometrie der Verbindungselemente zu ermöglichen.

3D-gedrucktes Teil in einem Kernkraftwerk

Das erste 3D-gedruckte Teil, das in einem Kernkraftwerk in Betrieb ist, wurde von Siemens hergestellt. Es handelt sich um ein Metalllaufrad mit einem Durchmesser von 108 mm für eine Feuerlöschpumpe, die im slowenischen Kernkraftwerk Krško ständig in Betrieb ist und von Siemens entwickelt und additiv gefertigt wurde. Der Einsatz der additiven Fertigung war unumgänglich, da das ursprüngliche Laufrad seit der Inbetriebnahme des Kraftwerks im Jahr 1981 in Betrieb war und sein ursprünglicher Hersteller nicht mehr im Geschäft ist. Das Siemens-Team in Slowenien hat daher ein Reverse Engineering durchgeführt und einen „digitalen Zwilling“ des Teils erstellt, um das Teil mit Hilfe der additiven Fertigung von Metallen nachzubilden.
Das Projekt war ein wichtiger Schritt nach vorn für den AM-Sektor, da zum ersten Mal ein 3D-gedrucktes Teil den sicheren Betrieb demonstrierte und alle für die Kernkraft – eine der komplexesten und anspruchsvollsten Industrien – erforderlichen Tests bestand.

Bild: Siemens

Das Projekt der Universität von North Dakota

Eine Gruppe von Forschern an der Universität von North Dakota hat ein Projekt zur Entwicklung von 3D-gedruckten Kernreaktoren aus verstärktem Stahl ins Leben gerufen. Roy Sougata, Professor für Maschinenbau und sein Team werden für die Herstellung dieser Komponenten austenitischen Stahl verwenden. Diese Metalllegierung ist mit Stickstoff verstärkt und wird der wichtigste Rohstoff für den Bauprozess sein. Derzeit liegen noch keine Informationen über den verwendeten 3D-Drucker vor, und es geht vor allem darum zu prüfen, ob diese 3D-gedruckten Bauteile effizienter sind als herkömmlich konstruierte Bauteile. Die Konstruktion der Teile wird an der Universität von North Dakota durchgeführt, während die weitere Analyse im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) erfolgen wird. Darüber hinaus werden die Komponenten auf ihre tribologischen Eigenschaften, d. h. die Wissenschaft von Verschleiß, Reibung und Schmierung, bei hohen Temperaturen getestet.

Als Hauptmaterial wird austenitischer Stahl verwendet (Bild: Dr. K. Natesan)

Westinghouse Electric Company schafft Branchenneuheiten mit 3D-Druck

Im Jahr 2020 installierte Westinghouse in einem seiner Kernreaktoren eine mit 3D-Druck hergestellte Steckvorrichtung für Fingerhüte. Zu dieser Zeit war dies eine Premiere in der Branche. Das Unternehmen setzte den Fokus auf die additive Fertigung fort und betrat zwei Jahre später noch einmal Neuland, als es einen 3D-gedruckten Trümmerfilter, den StrongHold AM, in zwei Siedewasserreaktorblöcken in Finnland und Schweden installierte. Diese Filter bieten verbesserte Abscheidungsfunktionen und stellen für das Unternehmen einen Fortschritt bei der Einführung der additiven Fertigung dar.

Framatome

Das multinationale französische Unternehmen Framatome gab bekannt, dass es eine 3D-gedruckte Brennelementkomponente aus rostfreiem Stahl entwickelt hat. Das Produkt wurde in einem Kernkraftwerk in Forsmark in Schweden, genauer gesagt in der Firma von Vattenfall, hergestellt. Dies war eine Premiere für das französische Unternehmen, das den Einbau des Bauteils erfolgreich durchgeführt hat. Bei dem Bauteil handelt es sich um ein Gitter am oberen Ende, das die Brennstäbe halten soll – Metallrohre, in denen zylindrische Pellets aus gesintertem Urandioxid gestapelt sind. Es wurde ebenfalls hergestellt, um zu verhindern, dass sperrige Trümmer in das Brennelement gelangen. Für die Herstellung wurde eine 3D-Laserdrucktechnologie verwendet, aber Framatome hat nicht erwähnt, welche genau.

3D-gedruckter Mikroreaktor

Die Purdue University, Indiana (USA), hat vom US-Energieministerium einen Zuschuss in Höhe von 800 000 Dollar erhalten, um sich an der Entwicklung eines 3D-gedruckten Mikroreaktors zu beteiligen. Die Universität wird sich am Transformal Challenge Reactor Demonstration Programme beteiligen, in dessen Rahmen das Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums daran arbeitet, bis 2023 den ersten 3D-gedruckten Mikroreaktor zu entwickeln.
Die Aufgabe des Purdue-Teams besteht darin, eine Technologie der künstlichen Intelligenz zu entwickeln, die die Qualität der additiv gefertigten Kernreaktorkomponenten gewährleistet. Die Kombination aus additiver Fertigung und Techniken der künstlichen Intelligenz ermöglicht einen datenintensiveren und kostengünstigeren Qualifizierungsprozess für nukleare Komponenten. Im Einzelnen wird die Lösung der Purdue University das Verstärkungslernen anwenden, eine Art der künstlichen Intelligenz, die fortschrittliche Strategien des maschinellen Lernens zur Feinabstimmung der Auswahl optimaler AM-Prozessparameter, wie Druckgeschwindigkeit und Schmelztemperatur, einsetzt, um die KI-Modelle zu trainieren und den Entscheidungsprozess zu leiten, wodurch dieser effizienter und schneller wird.

3D-gedruckte Komponenten des Kernreaktors (Bild: ORNL)

BWX Technologies

BWX Technologies und das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) der USA arbeiten an einer metallischen 3D-Drucktechnologie für die Herstellung von nuklearen Bauteilen. Mit dem Ziel, einen Kernreaktor zu betreiben, wollen die beiden Partner Teile aus Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis und hochschmelzenden Metallen herstellen. BWX Technologies soll ein Elektronenstrahlschmelzsystem verwendet haben, um die Teile in 3D zu drucken. Nach Angaben des Unternehmens konnten die Forscher durch die Wahl dieser Materialien die Widerstandsfähigkeit der Bauteile gegen Temperaturen von bis zu 1482 °C erhöhen und einen Gesamtwirkungsgrad der Anlage von etwa 50 % erreichen. Die additive Fertigung ermöglicht auch Kostensenkungen, insbesondere bei der Wartung und Reparatur von Bauteilen, aber auch eine Beschleunigung der Prototypenphase von Bauteilen.

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*Titelbildnachweis: Nicolas HIPPERT / Unsplash