Aplicaciones nucleares de la impresión 3D

Uno de los sectores en el que la fabricación aditiva ha tenido un papel cada vez más importante en los últimos años es el energético. Ya hemos hablado de las numerosas aplicaciones de la impresión 3D en petróleo y gas, pero ¿sabías que también se está utilizando para aplicaciones nucleares? El sector de las centrales nucleares ha ido ganando protagonismo en los últimos años con datos de la World Nuclear Association muestran que en 2019 fue la segunda mayor fuente de energía baja en carbono del mundo con 438 reactores operativos repartidos en 33 países. Además, en 2020, el total mundial de generación de electricidad nuclear fue de 2,591 billones de kWh, es decir, el 10,1% de la según la Administración de Información Energética de EE.UU. (EIA). Dado este aumento de popularidad, también es lógico que el sector esté recurriendo a nuevas tecnologías, como la fabricación aditiva. Para entender mejor cómo se está utilizando exactamente, echamos un vistazo más de cerca algunos de los principales usos de la impresión 3D en centrales nucleares, sin ningún orden en particular.

Un reactor impreso en 3D por el ORNL

Uno de los actores más activos en el campo de la energía nuclear y la impresión 3D es sin duda el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) de Estados Unidos. Sus equipos llevan varios años investigando sobre cómo la fabricación aditiva puede influir en la forma en que pensamos sobre la energía nuclear. En mayo de 2020, por ejemplo, presentaron el primer prototipo del núcleo de un reactor impreso en 3D de metal mediante una máquina de tecnología DED. Este proyecto forma parte del «Transformational Challenge Reactor Demonstration» (TCR), cuyo objetivo es imaginar sistemas energéticos más baratos y productivos, todo ello en muy poco tiempo. De hecho, este núcleo de reactor se creó en sólo tres meses, desde la fase de diseño hasta el postproceso de impresión llevó unas 40 horas de trabajo a temperaturas de hasta 1.400°C. Puedes ver la impresión 3D acelerada en el vídeo que aparece a continuación:

Ultra Safe y el uso de la fabricación aditiva

Ultra Safe Nuclear Corporation es una empresa nuclear estadounidense cuyo objetivo es desarrollar e integrar verticalmente soluciones nucleares seguras, limpias y comercialmente competitivas. En 2022 anunció su colaboración con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge para utilizar las capacidades de fabricación aditiva de este último para hacer avanzar la energía nuclear, mediante la fabricación micro reactores modulares. La elección de la fabricación aditiva permite al equipo superar las dificultades asociadas al trabajo con carburo de silicio, una cerámica técnica. Ahorrarán dinero y podrán diseñar geometrías más complejas que con los métodos convencionales.

Créditos: USNC

Una empresa energética checa optimiza su cadena de suministro con impresión 3D

ČEZ es una empresa de servicios públicos y la mayor empresa pública de Europa Central y Oriental. La división nuclear de la empresa, que trabaja con la empresa checa de energía nuclear Škoda JS, ha recurrido a la fabricación aditiva para optimizar su cadena de suministro y reducir el tiempo de inactividad. Solo este año han fabricado 4159 piezas de plástico y metal con esta tecnología. Después de que la pandemia y la guerra de Ucrania agravaran la situación geopolítica, causando importantes problemas en la cadena de suministro, la empresa recurrió a la fabricación aditiva. Con una impresora de gran tamaño, se pueden fabricar piezas metálicas de hasta 600 kg, lo que permite sustituir las piezas defectuosas en poco tiempo. Bohdan Zronek, miembro del consejo de administración de ČEZ y de la División de Energía Nuclear, explicó que las piezas geométricamente más sencillas se producen utilizando métodos convencionales, mientras que la impresión 3D es especialmente adecuada para piezas complejas como una rueda dentada.

Créditos: Además del plástico, la impresión 3D en metal fue el método preferido de las empresas nucleares (Imagen: Markforged)

La central nuclear de Browns Ferry

En Estados Unidos hay actualmente 93 centrales nucleares en funcionamiento, según datos de la EIA. Una de ellas es la central nuclear Browns Ferry de la Tennessee Valley Authority, situada en Athens, Alabama, la segunda central nuclear más potente del país. Lo más interesante para nosotros es que es allí, en la Unidad 2 de la planta más concretamente, donde la TVA, Framatome y el programa Transformational Challenge Reactor, o TCR, financiado por la Oficina de Energía Nuclear del DOE, con sede en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) instalaron cuatro soportes de impresos en 3D para su uso en un reactor nuclear en 2021. El proyecto era interesante porque fue el primero de este tipo en el país y demostró que era posible desplegar componentes impresos en 3D cualificados en entornos altamente regulados, como los reactores nucleares. El sitio de seguridad, que son componentes críticos para la seguridad, se fabricaron utilizando y TruForm 316 (Fe-271), una aleación de polvo metálico compuesta de hierro, níquel, cromo y molibdeno. Se optó por la impresión 3D para facilitar la geometría no simétrica de los cierres.

La primera pieza impresa en 3D y operativa en una central nuclear

La primera pieza impresa en 3D y operativa en una central nuclear diseñada y fabricada con tecnologías aditivas por Siemens. Se trata de un impulsor metálico de 108 mm de diámetro de una bomba contra incendios en la central nuclear de Krško en Eslovenia, diseñada y fabricada aditivamente por Siemens. El uso de la fabricación aditiva era esencial, ya que el impulsor original había estado en funcionamiento desde la puesta en marcha de la central en 1981 y su fabricante original ya no existía. Por ello, el equipo de Siemens en Eslovenia realizó ingeniería inversa y creó un «gemelo digital» de la pieza para utilizar la fabricación aditiva de metales y conseguir recrear la pieza. El proyecto supuso un importante paso adelante para el sector de la fabricación aditiva, ya que por primera vez una pieza impresa en 3D demostraba un funcionamiento seguro y superó todas las pruebas requeridas para la energía nuclear, una de las industrias más complejas y exigentes.

Créditos: Siemens

El proyecto de la Universidad de Dakota del Norte

Un grupo de investigadores de la Universidad de Dakota del Norte ha creado un proyecto para desarrollar reactores nucleares impresos en 3D con acero reforzado. Para fabricar estos componentes Roy Sougata (profesor de ingeniería mecánica) y su equipo han utilizado acero austenítico. Esta aleación metálica está reforzada con nitrógeno y será la materia prima principal en el proceso de construcción. Por el momento, no se ha facilitado información sobre la impresora 3D utilizada y la idea principal es ver si estos componentes impresos en 3D son más eficientes que los diseñados de forma tradicional. El diseño de las piezas se llevará a cabo en la Universidad de Dakota del Norte mientras que los análisis posteriores se realizarán en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). Además, las pruebas de los componentes se centrarán en sus propiedades tribológicas (la ciencia del desgaste, la fricción y la lubricación) a altas temperaturas. 

Se utilizará acero austenítico como material principal. Créditos de la foto: Dr. K. Natesan

Westinghouse Electric Company y el uso de la impresión 3D

La impresión 3D desempeña un papel importante en la fabricación. En 2020, Westinghouse instaló un dispositivo de taponado de dedales en uno de sus reactores nucleares, fabricado mediante impresión 3D. En aquel momento fue una auténtica primicia en la industria. Continuó con el enfoque de fabricación aditiva y dos años más tarde volvió a abrir nuevos caminos, con la instalación de un filtro de residuos impreso en 3D, el StrongHold AM, en dos unidades de reactores de agua en ebullición (BWR) en Finlandia y Suecia respectivamente. Estos filtros ofrecen características de captura mejoradas y representan un paso adelante para la empresa en la adopción de la fabricación aditiva.

Créditos: Westinghouse

Framatome y el componente de montaje impreso en 3D

La multinacional francesa Framatome ha anunciado que ha desarrollado un componente de montaje de combustible de acero inoxidable impreso en 3D. Este producto se fabricó en una central nuclear de Forsmark, Suecia, más concretamente en la empresa Vattenfall. La pieza está formada por una rejilla superior para sujetar las barras de combustible y tubos metálicos con pastillas cilíndricas de dióxido de uranio apiladas encima. El objetivo de su creación fue evitar que los residuos voluminosos entraran en el elemento combustible. Para producirlo se utilizó tecnología de impresión 3D láser, pero Framatome no mencionó cuál en concreto.

Créditos: Farmatone

Microrreactor impreso en 3D

La Universidad de Purdue, en Purdue, Indiana (EE.UU.), ha recibido del Departamento de Energía de EE.UU. una subención para participar en la creación de un microreactor impreso en 3D, durante el Transformational Challenge Reactor. La misión del equipo de Purdue será desarrollar una tecnología de inteligencia artificial que garantizará la calidad de los componentes de reactores nucleares fabricados aditivamente. La combinación de técnicas de fabricación aditiva e inteligencia artificial permite un proceso de cualificación de componentes nucleares más rico en datos y más rentable y económico. En concreto, la solución de la Universidad de Purdue aplicará aprendizaje por refuerzo, un tipo de inteligencia artificial que utiliza estrategias avanzadas de aprendizaje automático afinar la selección de los parámetros óptimos del proceso de fabricación aditiva, como la velocidad de impresión y la temperatura de fusión, para entrenar modelos de inteligencia artificial y guiar el proceso de toma de decisiones haciéndolo más eficiente y rápido.

Componentes impresos en 3D del reactor nuclear. (Crédito de la imagen: ORNL)

Tecnologías BWX y reactores nucleares

BWX Technologies y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) trabajan en una tecnología de impresión metálica en 3D para la fabricación de componentes nucleares. Con el objetivo de alimentar un reactor nuclear, los dos socios pretenden fabricar piezas a partir de aleaciones de alta temperatura basadas en níquel y metales refractarios. BWX Technologies habría utilizado un sistema de fusión por haz de electrones para imprimir las piezas en 3D. Según la empresa, la elección de estos materiales permitió a los investigadores aumentar la resistencia de los componentes a temperaturas de hasta 1.482°C, y lograr una eficiencia global de la planta de alrededor del 50%. La fabricación aditiva también permite reducir los costes, sobre todo en términos de mantenimiento y reparación de piezas, pero también acelerar la fase de creación de prototipos de componentes.

Créditos: BWX Technologies

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*Créditos de la foto de portada: Nicolas HIPPERT en Unsplash.