Come viene utilizzata la stampa 3D nel settore dell’energia nucleare?

Uno dei settori in cui la produzione additiva ha avuto un ruolo crescente negli ultimi anni è quello dell’Energia. Vi abbiamo già parlato delle numerose applicazioni della stampa 3D nel settore Oil & Gas, ma sapevate che viene utilizzata anche per applicazioni nucleari? L’industria delle centrali nucleari ha guadagnato importanza negli ultimi anni e i dati della World Nuclear Association mostrano che nel 2019 è stata la seconda fonte di energia a basse emissioni di carbonio al mondo, con 438 reattori operativi distribuiti in 33 Paesi. Inoltre, secondo l’Energy Information Administration (EIA) degli Stati Uniti, nel 2020 la produzione mondiale di elettricità nucleare è stata di 2.591 miliardi di kWh, pari al 10,1% della produzione elettrica mondiale totale. Dato questo aumento di popolarità, è logico che anche il settore si stia rivolgendo a nuove tecnologie, tra cui l’Additive Manufacturing. Per capire meglio come viene utilizzata, abbiamo voluto elencare alcuni dei principali progetti di utilizzo della stampa 3D nelle centrali nucleari.

Un reattore stampato in 3D dall’ORNL

Uno degli attori più attivi nel campo del nucleare e della stampa 3D è senza dubbio l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) negli Stati Uniti. I suoi team lavorano da diversi anni su come la produzione additiva possa influenzare il modo in cui pensiamo all’energia nucleare. Nel maggio 2020, ad esempio, hanno presentato il primo prototipo di un nocciolo di reattore, stampato in metallo 3D tramite una macchina DED. Questo progetto fa parte del programma “Transformational Challenge Reactor Demonstration” (TCR), il cui obiettivo è immaginare sistemi energetici meno costosi e più produttivi, il tutto in tempi molto brevi. Infatti, il nucleo di questo reattore è stato creato in soli tre mesi, dalla fase di progettazione a quella di post-elaborazione; il processo di stampa ha richiesto 40 ore di lavoro, a temperature che hanno raggiunto i 1.400°C. La stampa 3D in time-lapse nel video qui sotto:

Ultra Safe Nuclear Corporation in collaborazione con ORNL per microreattori

Ultra Safe Nuclear Corporation è un’azienda nucleare statunitense che mira a sviluppare e integrare verticalmente soluzioni nucleari sicure, pulite e commercialmente competitive. Nel 2022 ha annunciato l’intenzione di collaborare con l’Oak Ridge National Laboratory per utilizzare le capacità di produzione additiva di quest’ultimo per far progredire l’energia nucleare, utilizzando il Binder Jetting per realizzare microreattori modulari. La scelta della produzione additiva permette al team di superare le difficoltà associate alla lavorazione del carburo di silicio, una ceramica tecnica, di risparmiare denaro e di progettare geometrie più complesse rispetto ai metodi convenzionali.

Crediti: USNC

La stampa 3D per ottimizzare la catena di approvvigionamento nel settore energetico

ČEZ è un’azienda di servizi pubblici e la più grande impresa pubblica dell’Europa centrale e orientale. La divisione nucleare dell’azienda, che collabora con la società nucleare ceca Škoda JS, si è rivolta alla produzione additiva per ottimizzare la propria catena di fornitura e ridurre i tempi di inattività. Dopo che la pandemia Covid-19 e la guerra in Ucraina hanno esacerbato la situazione geopolitica, causando notevoli problemi alla catena di approvvigionamento, l’azienda ha deciso di introdurre l’Additive Manufacturing. Una stampante 3D di grande formato può produrre parti metalliche che pesano fino a 600 kg, consentendo di sostituire in breve tempo le parti difettose. Bohdan Zronek, membro del consiglio di amministrazione di ČEZ e direttore della divisione energia nucleare, ha spiegato che i pezzi geometricamente più semplici vengono prodotti con metodi convenzionali, mentre la stampa 3D è particolarmente adatta per pezzi complessi, come gli ingranaggi.

La stampa 3D in metallo è tra i metodi più utilizzati dalle aziende del settore nucleare (Crediti: Markforged)

Componenti critici per la sicurezza in un reattore dell’Alabama

Negli Stati Uniti, secondo i dati dell’EIA, sono attualmente in funzione 93 centrali nucleari. Una di queste è la centrale nucleare Browns Ferry della Tennessee Valley Authority, situata ad Athens, in Alabama, la seconda centrale nucleare più potente del Paese. L’aspetto particolarmente interessante per noi è che proprio lì, più precisamente nell’unità 2 dell’impianto, la TVA, Framatome e il programma Transformational Challenge Reactor (TCR), finanziato dall’Ufficio per l’energia nucleare del DOE e con sede presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), hanno installato nel 2021 quattro staffe di assemblaggio del combustibile stampate in 3D da utilizzare in un reattore nucleare. Il progetto è stato interessante perché è stato il primo del suo genere nel Paese e ha dimostrato che è possibile impiegare componenti qualificati stampati in 3D in ambienti altamente regolamentati, come i reattori nucleari. I dispositivi di fissaggio, che sono componenti critici per la sicurezza, sono stati realizzati utilizzando la fusione laser a letto di polvere e TruForm 316 (Fe-271), una lega metallica in polvere composta da ferro, nichel, cromo e molibdeno. La stampa 3D è stata scelta come metodo per realizzare la geometria non simmetrica degli elementi di fissaggio.

La prima parte stampata in 3D in funzione in una centrale nucleare

La prima parte stampata in 3D e operativa in una centrale nucleare è stata opera di Siemens. Si tratta di una girante metallica di 108 mm di diametro di una pompa antincendio costantemente in funzione nella centrale nucleare di Krško in Slovenia, progettata e prodotta additivamente da Siemens. L’uso della produzione additiva è stato essenziale, infatti la girante originale era in funzione da quando l’impianto è stato messo in servizio nel 1981 e il suo produttore originale non è più in attività. Il team di Siemens in Slovenia ha quindi eseguito il reverse engineering e creato un “digital twin” della parte per utilizzare il Metal Additive Manufacturing per ricreare il pezzo.
Il progetto ha segnato un’importante passo in avanti per il settore AM, poiché per la prima volta una parte stampata in 3D ha dimostrato un funzionamento sicuro e superato tutti i test necessari per il nucleare, uno dei settori industriali più complessi ed esigenti.

Crediti: Siemens

Componenti di un reattore nucleare stampati in 3D

Un team dell’Università del Dakota del Nord (USA), guidato da Roy Sougata, professore di Ingegneria Meccanica, studia come sfruttare i processi di produzione additiva per progettare i componenti di un reattore nucleare. La ricerca, finanziata per 250.000 dollari, prevede l’utilizzo di acciaio austenitico come materiale di stampa 3D, una lega metallica rinforzata con azoto. Della tecnologia di stampa 3D utilizzata non si hanno invece ulteriori dettagli. Lo scopo dello studio è testare i componenti per provarne le proprietà tribologiche, ovvero di usura, attrito e lubrificazione, ad alte temperature. Secondo il team, i metodi di produzione convenzionali di questi componenti, ovvero fusione o forgiatura, non permettono di modificarne correttamente le proprietà meccaniche o la microstruttura. Questo è invece un vantaggio offerto dalla produzione additiva su cui si concentrerà la sperimentazione.

L’acciaio austenitico è utilizzato come materiale principale di stampa (Crediti: Dr. K. Natesan)

L’azienda elettrica Westinghouse stabilisce nuovi primati nel settore con la stampa 3D

La stampa 3D svolge un ruolo importante nella realizzazione di parti funzionali. Nel 2020, Westinghouse ha installato in uno dei suoi reattori nucleari un dispositivo di chiusura a ditale, realizzato con la stampa 3D. All’epoca si trattava di una novità assoluta nel settore. L’azienda ha continuato a puntare sulla produzione additiva e due anni dopo ha nuovamente aperto la strada con l’installazione di un filtro per detriti stampato in 3D, lo StrongHold AM, in due unità di reattori ad acqua bollente (BWR) rispettivamente in Finlandia e in Svezia. Questi filtri offrono caratteristiche di cattura migliorate e rappresentano un passo avanti per l’azienda nell’adozione della produzione additiva.

Crediti: Westinghouse

Stampa 3D nell’azienda nucleare francese Framatome

La multinazionale francese Framatome ha annunciato di aver sviluppato un componente di assemblaggio del combustibile in acciaio inossidabile stampato in 3D. Questo prodotto è stato fabbricato in una centrale nucleare a Forsmark, in Svezia, in particolare presso Vattenfall. Si tratta di una novità assoluta per l’azienda francese, che ha installato con successo il componente. Il pezzo è una griglia terminale per contenere le barre di combustibile impilate su di essa, ovvero tubi metallici con pellet cilindrici di biossido di uranio sinterizzato. È stato realizzata anche per evitare che detriti ingombranti finiscano nel combustibile. Per produrla è stata utilizzata una tecnologia di stampa 3D a laser, ma Framatome non ha specificato quale.

Crediti: Framatome

Il microreattore stampato in 3D dell’Università di Purdue

L’Università di Purdue, Indiana (USA), ha ricevuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti una sovvenzione di 800.000 dollari per partecipare alla creazione di un microreattore stampato in 3D. L’Università parteciperà al Transformational Challenge Reactor Demonstration Program, in cui l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia sta lavorando per creare il primo microreattore stampato in 3D entro il 2023. La missione del team di Purdue sarà quella di sviluppare una tecnologia di intelligenza artificiale che garantisca la qualità dei componenti per il reattore nucleare prodotto additivamente. L’unione delle tecniche di produzione additiva e di intelligenza artificiale permette infatti di ottenere un processo di qualificazione dei componenti nucleari più ricco di dati ed economico. Nel dettaglio, la soluzione dell’Università di Purdue applicherà l’apprendimento per rinforzo, una sorta di intelligenza artificiale che utilizza strategie avanzate di apprendimento automatico per mettere a punto la selezione dei parametri di processo AM ottimali, come la velocità di stampa e la temperatura di fusione, per addestrare i modelli di intelligenza artificiale e guidare il processo decisionale rendendolo più efficiente e veloce.

Componenti stampati in 3D del reattore nucleare. (Crediti: ORNL)

Il progetto di BWX Technologies

BWX Technologies e Oak Ridge National Laboratory (ORNL) stanno lavorando a una tecnologia di stampa 3D in metallo per la produzione di componenti nucleari. Con l’obiettivo di alimentare un reattore nucleare, i due partner mirano a produrre parti da leghe ad alta temperatura a base di nichel e metalli refrattari. BWX Technologies avrebbe utilizzato un sistema di fusione a fascio elettronico per stampare in 3D le parti. Secondo l’azienda, la scelta di questi materiali ha permesso ai ricercatori di aumentare la resistenza dei componenti a temperature fino a 1.482°C e di ottenere un’efficienza complessiva dell’impianto di circa il 50%. La produzione additiva riduce anche i costi, in particolare per quanto riguarda la manutenzione e la riparazione dei pezzi e velocizza anche la fase di prototipazione dei componenti.

Crediti: Laboratorio nazionale di Oak Ridge

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*Crediti foto copertina: Nicolas HIPPERT / Unsplash