Destaque do aplicativo:como a impressão 3D apóia a inovação na indústria de energia nuclear

A impressão 3D é uma tecnologia empolgante que pode apresentar inovações significativas para as usinas nucleares em operação atual e futuras.

Embora a indústria nuclear tenha a reputação de ser incrivelmente conservadora, está gradualmente adotando a impressão 3D para explorar suas oportunidades de peças sobressalentes e peças de usinas nucleares avançadas.

Este artigo analisa os motivadores por trás da adoção da impressão 3D na indústria nuclear e explora os desenvolvimentos mais interessantes que estão ocorrendo neste campo.

Dê uma olhada nos outros aplicativos abordados nesta série:

Impressão 3D para trocadores de calor

Impressão 3D para rolamentos

Impressão 3D para fabricação de bicicletas

Impressão 3D para Odontologia Digital e Fabricação de Alinhador Transparente

Impressão 3D para implantes médicos

Foguetes impressos em 3D e o futuro da fabricação de naves espaciais

Impressão 3D para Fabricação de Calçados

Impressão 3D para componentes eletrônicos

Impressão 3D na Indústria Ferroviária

Óculos impressos em 3D

Impressão 3D para produção de peças finais

Impressão 3D para suportes

Impressão 3D para peças de turbinas

Como a impressão 3D permite componentes hidráulicos de melhor desempenho

Por que adotar a impressão 3D para peças de usinas nucleares?

A indústria nuclear vive um momento desafiador. O mercado de novas construções de grandes reatores está estagnado, pois os custos associados a esses investimentos continuam aumentando, enquanto o custo de outras fontes de energia cai.

Além disso, os grandes reatores têm diversos problemas relacionados à sua construção e instalação complexas, regulamentos de segurança, reparos e outros riscos de alto custo.

Ao mesmo tempo, há um aumento no descomissionamento nuclear. Um grande número de instalações nucleares encerrou as operações e prevê-se que este número aumente consideravelmente nos próximos anos.

Um caminho a seguir para a energia nuclear pode residir nos reatores nucleares de pequena escala, que superam muitas das desvantagens dos reatores tradicionais maiores. Chamados de Small Modular Reactors (SMR), esses sistemas devem reduzir drasticamente os prazos de construção e tornar o nuclear mais acessível para construir e operar.

A produção de SMRs requer novas abordagens para o projeto e produção de peças do reator. , como desempenho aprimorado da peça, tamanho mais compacto, melhor gerenciamento de calor e prazos de entrega mais curtos.

E é aqui que a impressão 3D entra em cena. A impressão 3D, ou manufatura aditiva (AM), é conhecida por sua flexibilidade de design, o que abre muitas possibilidades para os fabricantes de peças nucleares.

A flexibilidade de design e a necessidade eliminada de ferramentas permitem a consolidação de peças, um processo pelo qual vários componentes podem ser projetados e impressos como um só.

Além disso, as geometrias mais complexas possíveis com a impressão 3D, permite tamanhos mais compactos de peças e seu subsequente aumento de desempenho.

Um exemplo disso são os trocadores de calor impressos em 3D, que podem ser projetados com paredes tão finas quanto 200 mícrons e pequenos e intrincados canais de fluxo dentro do componente, resultando em uma maior superfície de transferência de calor no interior. Quanto maior a área de superfície, mais calor pode ser removido, o que aumenta o desempenho de um trocador de calor.

Tecnologias de impressão 3D para a indústria de energia nuclear Existem várias tecnologias AM adequadas para aplicações na indústria de energia nuclear, incluindo Powder Bed Fusion (PBF), jato de metal e areia aglutinante e Direct Energy Deposition (DED). Com a fusão em leito de pó, um processo que envolve a fusão de um material usando lasers poderosos, os fabricantes podem criar componentes mais complexos com desempenho aprimorado.

O uso de binder jetting, principalmente com areia, pode ajudar a economizar tempo e custos com a impressão 3D de moldes de areia e, portanto, eliminando a necessidade de criar manualmente esses moldes.

A tecnologia DED - que funciona derretendo material metálico com um laser, ou feixe de elétrons, conforme é depositado através de um bico na plataforma de construção - pode ser usada como uma alternativa para grandes fundições e forjados, ou como um acréscimo a eles. Este processo pode reduzir o tempo de espera, usinagem e desperdício de material. Certos processos DED também oferecem propriedades de material melhoradas em comparação com os métodos tradicionais. Por exemplo, eles podem ser usados ​​para personalização localizada de materiais, como revestimento rígido para resistência à corrosão e ao desgaste.

A tecnologia também é adequada para o reparo de componentes de alto valor, ferramentas e superfícies de rolamento.

Principais aplicativos de impressão 3D na indústria de energia nuclear

Peças de reposição

À medida que as usinas nucleares envelhecem, fica cada vez mais difícil encontrar peças de reposição, até porque seus projetos são virtualmente impossíveis de obter. Por exemplo, nos EUA, muitas usinas nucleares têm mais de 40 anos e muitas das empresas que fabricaram as peças originais não existem mais. A impressão 3D torna possível produzir algumas das peças de reposição que faltam usando a engenharia reversa, portanto, não há necessidade de criar moldes do zero.

Por exemplo, Hydro Inc., a empresa de engenharia e serviços de bombas, usou engenharia reversa para projetar e imprimir em 3D um molde de areia para um impulsor usado em uma instalação nuclear. O molde era então enviado para uma fundição, onde despejavam o metal para criar o componente.

Em outro exemplo, a Hydro usou a combinação para consertar uma bomba relacionada à segurança em uma usina nuclear. A peça não poderia ser fornecida pelo OEM no prazo exigido pelo cliente, uma vez que o processo de fundição tradicional poderia levar de nove meses a um ano. Usando impressão 3D, juntamente com engenharia reversa, a empresa forneceu a bomba em 12 semanas. Além dos moldes impressos em 3D, a tecnologia também pode ser usada para produzir peças de reposição diretamente.

Em 2017, a Siemens alcançou um marco importante ao instalar com sucesso uma primeira peça sobressalente impressa em 3D para a usina nuclear de Krško, na Eslovênia. A peça de reposição, um impulsor metálico de 108 mm de diâmetro para uma bomba de proteção contra incêndio em operação constante, atendeu aos rígidos requisitos de segurança e confiabilidade do setor nuclear.

O uso de impressão 3D para peças de reposição em instalações de energia nuclear permite que as plantas operacionais maduras continuem operando e atingindo sua expectativa de vida total.

Componentes avançados

Há também um foco maior no desenvolvimento de componentes avançados para sistemas de energia nuclear, usando impressão 3D.

Por exemplo, a NovaTech, uma empresa que fornece serviços de manufatura e engenharia para a indústria nuclear, está usando a impressão 3D para desenvolver e produzir peças da montagem de combustível nuclear que constitui o elemento básico do núcleo do reator nuclear.

Alguns dos componentes do conjunto de combustível, possíveis com a impressão 3D, incluem bicos inferiores, molas de retenção, bicos superiores, placas de amarração inferiores do reator de água fervente (BWR).




A pesquisa da NovaTech mostra que, por exemplo, a impressão 3D da placa de ligação inferior de um conjunto de combustível BWR, que fixa a posição da extremidade inferior das hastes de combustível, usando Inconel-718, pode melhorar o desempenho de filtragem de detritos. A melhoria de desempenho é alcançada graças ao projeto de passagens de fluxo tortuosas que só podem ser fabricadas com impressão 3D.

Usando a tecnologia, também é possível adicionar selos de canal ao projeto da placa de fixação inferior, permitindo uma redução na contagem de peças.

Minimizando o número de componentes em um a montagem é particularmente benéfica, pois reduz os custos de fabricação e simplifica o processo de montagem.

Um núcleo de reator nuclear impresso em 3D

Em outro exemplo, o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) está usando a impressão 3D para desenvolver um núcleo de reator nuclear como parte de seu programa Transformational Challenge Reactor (TCR).




ORNL visa construir o núcleo do reator nuclear até 2023 e estabelecer novos métodos no projeto, fabricação, licenciamento e operação do reator também, com a impressão 3D desempenhando um papel fundamental para atingir esse objetivo.

Embora a maior parte do reator seja feita de componentes convencionais, o núcleo, responsável por conter o combustível de urânio e os componentes que controlam a reação de fissão, será inteiramente impresso em 3D de carboneto de silício, um material resistente a altas temperaturas.

‘Ao usar a impressão 3D, podemos usar tecnologia e materiais que a comunidade nuclear não foi capaz de capitalizar nas últimas décadas’, disse Kurt Terrani, diretor técnico do TCR. ‘Isso inclui sensores para controle quase autônomo e uma biblioteca de dados e uma abordagem nova e acelerada para a qualificação que beneficiará toda a comunidade nuclear.’

Um dispositivo de conexão impresso em 3D

Enquanto um núcleo de reator impresso em 3D ainda está em estágio de desenvolvimento, a Westinghouse instalou com sucesso uma parte impressa em 3D usada para geração de energia real, no mês passado. A parte instalada é um 'dispositivo de obstrução com dedal' usado para abaixar os conjuntos de combustível nos núcleos do reator.


A parte foi o resultado de uma colaboração de três anos entre a Westinghouse, fornecedora de tecnologia nuclear, e a Exelon Generation, fornecedora líder de energia nuclear da América.

Um dispositivo de plugue é essencial para a produção de energia nuclear, mas era considerado uma peça de baixo risco, pois teria consequências mínimas se a peça quebrasse.

Peças impressas em 3D para gerenciamento de lixo nuclear

Eventualmente, todas as conversas nucleares se voltam para lixo radioativo e segurança.

Encontrar soluções eficazes para o gerenciamento de longo prazo de lixo radioativo é outro desafio dentro da indústria de energia nuclear.

A impressão 3D está ajudando a enfrentar esse desafio, permitindo que os engenheiros desenvolvam novos projetos de sistemas de reciclagem de resíduos.

Nos Estados Unidos, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne, do Departamento de Energia, têm peças impressas em 3D, o que facilitará a reciclagem do combustível nuclear usado.

A forma como a impressão 3D é usada no processo envolve a criação de um banco de contatores centrífugos de 1,25 cm - dispositivos de fluido complexos com canais internos. Uma vez conectados, os contatores permitem um ciclo de reprocessamento contínuo.

Atualmente, os engenheiros nucleares podem reciclar 95 por cento do combustível irradiado de um reator nuclear, com os 5 por cento restantes sendo armazenados durante muito tempo. termo 'desperdício. O referido equipamento impresso em 3D pode ser usado para separar e reciclar alguns destes últimos, o que significa que 2% a mais dos resíduos nucleares podem ser reciclados.

Embora 2% possa não parecer particularmente impressionante progresso, pode reduzir significativamente a quantidade de combustível usado que precisa ser armazenado e o período de tempo em que permanece perigoso.

Impressão 3D para sensores incorporados

Os reatores nucleares são altamente instrumentados para monitorar variáveis ​​como temperatura e pressão. No entanto, é um desafio monitorar a saúde estrutural de um componente do reator durante a operação, quando exposto a temperaturas e radiação extremas.

Um obstáculo reside na dificuldade de incorporar sensores dentro de materiais resistentes ao calor e à radiação. Mas a impressão 3D pode fornecer uma solução.

Os novos designs, habilitados pela impressão 3D, permitirão sensores embutidos que fornecerão dados diretamente do núcleo.

ORNL, para por exemplo, está usando AM ultrassônico para incorporar sensores altamente precisos e resistentes à radiação em estruturas e componentes.

Além disso, o Departamento de Energia dos EUA (DoE) apoiou a Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh com uma bolsa para desenvolver técnicas de AM para fazer sensores elétricos para núcleos nucleares.

Iniciado em 2017, o projeto já teve algum sucesso no desenvolvimento de redes de sensores de fibra óptica. A equipe celebrou recentemente o primeiro teste bem-sucedido de um sensor de fibra óptica in-core dentro de um dos reatores do MIT.

Novos materiais para aplicações nucleares

As usinas nucleares de próxima geração exigirão inovação em materiais para atender à demanda de seu ambiente agressivo, incluindo desafios de corrosão em alta temperatura e altas doses de irradiação.

AM pode apoiar a inovação de materiais mais rápida. Por exemplo, pode permitir novas ligas com propriedades que não podem ser produzidas usando métodos tradicionais. O processo também pode usar materiais como o silício, que não podem ser trabalhados com os métodos tradicionais de dobra de metal.

Um exemplo disso é uma recente colaboração entre os desenvolvedores suecos de materiais de impressão 3D, Additive Composite Uppsala e Add North 3D, no desenvolvimento de um material composto de polímero para aplicações de proteção contra radiação. O material, denominado Addbor N25, combina carboneto de boro e náilon, na forma de um filamento otimizado para impressão 3D. As capacidades de proteção contra radiação são alcançadas graças ao elemento de carboneto de boro, que fornece uma absorção eficaz contra nêutrons.

Renovando a indústria nuclear com impressão 3D

Embora estejamos apenas arranhando a superfície do que é possível com a impressão 3D na indústria nuclear, os desenvolvimentos recentes estão sinalizando o imenso potencial que a tecnologia tem a oferecer.

À medida que os fabricantes abraçam a liberdade que a impressão 3D oferece, eles podem fornecer designs de componentes aprimorados, explorar novos materiais e produzir peças sobressalentes que não estão mais disponíveis de maneira econômica.

Certamente veremos mais inovações de impressão 3D emocionantes nos próximos anos, ajudando a tecnologia nuclear a superar seus desafios atuais e melhorar ainda mais sua segurança e sustentabilidade.