การผลิตสารเติมแต่งของ Zircaloy-4 ช่วยให้แกนแลกเปลี่ยนความร้อนนิวเคลียร์ที่เบาและแข็งแกร่งขึ้นได้อย่างไร

ในใจกลางของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โลหะทุกกรัมจะต้องดึงหน้าที่สองเท่า นั่นคือ ต้านทานการกัดกร่อน และไม่ดูดนิวตรอน Zircaloy-4 เป็นผู้เชี่ยวชาญทั้งสองอย่าง แต่มันถูกสร้างมาอย่างหนาและหนักมาโดยตลอด การผลิตแบบเติมเนื้อกำลังพิมพ์ลงในรังผึ้งที่เติมเนื้อตาข่าย-น้ำหนักเบาซึ่งแข็งแรงขึ้น ใช้วัสดุเพียงครึ่งเดียว และถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในโครงการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูง วิศวกรกำลังสำรวจว่าโครงสร้างเซอร์โคเนียมที่พิมพ์ด้วย 3 มิติที่ซับซ้อนสามารถปรับเปลี่ยนการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนิวเคลียร์โดยพื้นฐานได้อย่างไร

ภายในสาขาที่กำลังเกิดขึ้นของการผลิตสารเติมแต่ง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนิวเคลียร์ Zircaloy-4เทคโนโลยี การพิมพ์โลหะด้วยเลเซอร์-ช่วยให้เกิดรูปทรงที่การตัดเฉือนแบบเดิมๆ และการผลิตท่อไม่สามารถผลิตได้ในเชิงเศรษฐกิจ

เหตุใด Zircaloy-4 จึงมีความสำคัญในระบบนิวเคลียร์

เซอร์คาลอย-4 เป็นโลหะผสมเซอร์โคเนียม-ดีบุกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เนื่องจากมีการผสมผสานคุณสมบัติที่มีคุณค่าผิดปกติหลายประการเข้าด้วยกัน:

การดูดซับนิวตรอนต่ำมาก

ต้านทานการกัดกร่อนได้ดีในน้ำที่มีอุณหภูมิสูง-

เสถียรภาพทางกลที่ดี

ความทนทานต่อรังสีที่ดี

ในวิศวกรรมนิวเคลียร์ เศรษฐกิจนิวตรอนมีความสำคัญอย่างยิ่ง วัสดุโครงสร้างที่ดูดซับนิวตรอนมากเกินไปจะลดประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์และการใช้เชื้อเพลิง โลหะผสมเซอร์คาลอยจึงมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบที่อยู่ใกล้กับแกนเครื่องปฏิกรณ์

ข้อจำกัดแบบดั้งเดิมของการผลิตแบบธรรมดา

ในอดีต ส่วนประกอบของ Zircaloy ได้รับการผลิตผ่าน:

การวาดหลอด

การตีขึ้นรูป

กลิ้ง

เครื่องจักรกล

วิธีการเหล่านี้ชอบรูปทรงที่ค่อนข้างเรียบง่ายและมีความหนาของผนังที่อนุรักษ์ไว้ เป็นผลให้โครงสร้างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจำนวนมากยังคงหนักและเทอะทะมากกว่าที่จำเป็นในทางทฤษฎี

การผลิตแบบดั้งเดิมยังจำกัดวิธีการปรับเส้นทางการไหลของน้ำหล่อเย็นอย่างแม่นยำเพื่อประสิทธิภาพเชิงความร้อน

วิธีการทำงานของ Laser Powder Bed Fusion

การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุเปลี่ยนแปลงสมการการออกแบบโดยสิ้นเชิง

การสร้างเลเยอร์-ต่อ-การสร้างเลเยอร์

ในการหลอมรวมด้วยผงเลเซอร์ จะมีชั้นบาง ๆ ของผง Zircaloy-4 กระจายไปทั่วพื้นผิวโครงสร้าง จากนั้นเลเซอร์พลังงานสูงจะเลือกละลายบริเวณเฉพาะตามแบบจำลองการออกแบบดิจิทัล

กระบวนการนี้จะทำซ้ำทีละชั้นจนกระทั่งได้ส่วนประกอบที่สมบูรณ์

วิธีการนี้ช่วยให้:

โครงสร้างผนังบาง-

ช่องทางการไหลภายใน

โปรยเซลล์

โทโพโลยี-รูปทรงเรขาคณิตที่ปรับให้เหมาะสม

เส้นทางระบายความร้อนแบบบูรณาการ

เครื่องพิมพ์แบบผง-กำลังหล่อโลหะเครื่องปฏิกรณ์เจเนอเรชันถัดไปด้วยความแม่นยำระดับจุลภาค

บรรยากาศเฉื่อยที่ควบคุมได้ถือเป็นสิ่งสำคัญ

โลหะผสมเซอร์โคเนียมมีปฏิกิริยาสูงที่อุณหภูมิสูง ในระหว่างการผลิตแบบเติมเนื้อ ห้องกระบวนการจึงต้องทำงานภายใต้บรรยากาศเฉื่อยที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด

หากไม่มีการควบคุมออกซิเจนและไนโตรเจน Zircaloy ที่หลอมละลายจะสามารถดูดซับสิ่งปนเปื้อนในชั้นบรรยากาศที่ย่อยสลายได้:

ความเหนียว

ความต้านทานการกัดกร่อน

ความเหนียวแตกหัก

ประสิทธิภาพของนิวเคลียร์

โดยทั่วไปแล้วจะต้องใช้บรรยากาศอาร์กอนที่มีระดับสิ่งเจือปนต่ำมากในระหว่างการพิมพ์

โครงสร้างทางชีวภาพที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของการผลิตแบบเติมเนื้อคือความอิสระทางเรขาคณิต

กระดูก Trabecular-ได้รับแรงบันดาลใจจากการออกแบบ

วิศวกรมีการใช้โครงสร้างที่ได้รับแรงบันดาลใจจากกระดูก trabecular มากขึ้น โดยวัสดุจะกระจายเฉพาะเมื่อต้องใช้ความเครียดเท่านั้น

ในการออกแบบเหล่านี้:

บริเวณที่มีความเครียดสูง-ยังคงแข็งแกร่ง

บริเวณที่มีความเครียดต่ำ-กลายเป็นโครงตาข่าย-เหมือน

ใยที่ตัดกันบางรองรับน้ำหนักของโครงสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สิ่งนี้จะสร้างส่วนประกอบที่ทั้งเบากว่าและแข็งแรงทางกลไก

การลดน้ำหนักโดยไม่สูญเสียความแข็งแกร่ง

สถาปัตยกรรมเซลลูลาร์ขั้นสูงสามารถลดการใช้วัสดุทั้งหมดและน้ำหนักส่วนประกอบได้มากเท่ากับ:

∆mครบถ้วน40%\\เดลต้า m \\ประมาณ 40\\%∆mµ40%

ในขณะที่ยังคงรักษาความสามารถในการรับแรงดันและความแข็งแกร่งของโครงสร้างที่ต้องการ

ในระบบนิวเคลียร์ การลดมวลส่วนประกอบสามารถปรับปรุงได้:

ความกะทัดรัดของเครื่องปฏิกรณ์

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน

พฤติกรรมการทำความเย็นแบบพาสซีฟ

ประสิทธิภาพแผ่นดินไหว

การใช้เชื้อเพลิง

ปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพทางเรขาคณิต

มัดรวมท่อแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดในการออกแบบที่สำคัญกับรูปทรงการไหลของน้ำหล่อเย็น

เส้นผ่านศูนย์กลางไฮดรอลิกที่ปรับให้เหมาะสม

การผลิตแบบเติมเนื้อทำให้ช่องภายในสามารถขึ้นรูปด้วยความแม่นยำเป็นพิเศษ เส้นผ่านศูนย์กลางไฮดรอลิกของทางจ่ายน้ำหล่อเย็นสามารถปรับให้สมดุลได้:

ความดันตก

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน

ความเสถียรของการไหล

ความหนาแน่นของพื้นที่ผิว

พื้นผิวภายในที่ซับซ้อนจะเพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่มีอยู่โดยไม่ต้องขยายพื้นที่ของเครื่องแลกเปลี่ยนอย่างมาก

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเซลลูลาร์แบบมีผนังบาง-

โครงสร้าง Zircaloy ที่พิมพ์อาจประกอบด้วย:

โครงตาข่ายไจรอยด์

พื้นผิวขั้นต่ำเป็นระยะสามเท่า

เมทริกซ์ระดับเซลล์

ไมโครช่องแบบแยกสาขา

รูปทรงเหล่านี้สร้างอัตราส่วน-พื้นที่-ต่อ-พื้นผิวที่สูงเป็นพิเศษ ซึ่งไม่สามารถทำได้กับมัดท่อที่ผลิตตามปกติ

ผลลัพธ์ที่ได้คือสมรรถนะทางความร้อนที่ดีขึ้นภายในปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ที่น้อยลง

รักษาการดูดซึมนิวตรอนต่ำ

ความสำเร็จทางเทคนิคที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือ Zircaloy ที่พิมพ์ออกมาอย่างถูกต้องสามารถรักษาส่วนตัดขวางการดักจับนิวตรอนต่ำเป็นพิเศษของโลหะผสม-ได้

ทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญ

โลหะผสมขั้นสูงหลายชนิดที่เหมาะสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อจะทำงานได้ไม่ดีใน-แกนกลางเนื่องจากดูดซับนิวตรอนมากเกินไป Zircaloy-4 ยังคงมีเสน่ห์เพราะผสมผสาน:

ความสามารถในการผลิต

ความต้านทานการกัดกร่อน

ความโปร่งใสทางนิวเคลียร์

สิ่งนี้ทำให้การผลิตแบบเติมเนื้อมีความหวังเป็นพิเศษสำหรับ:

เครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก (SMR)

เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กขนาดกะทัดรัด

ใน-เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก

ระบบเชื้อเพลิงที่ทนทานต่ออุบัติเหตุ-

แนวคิดการหุ้มเชื้อเพลิงขั้นสูง

การรักษาการดูดกลืนนิวตรอนต่ำในขณะที่ลดมวลโครงสร้างทำให้เกิดข้อได้เปรียบในการออกแบบที่สำคัญสำหรับสถาปัตยกรรมเครื่องปฏิกรณ์ในอนาคต

ความท้าทายด้านคุณสมบัติยังคงมีนัยสำคัญ

แม้จะมีคำมั่นสัญญาไว้ แต่มาตรฐานคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ยังคงมีความต้องการอย่างมาก

ข้อกำหนดการรับรองนิวเคลียร์

ส่วนประกอบนิวเคลียร์ที่พิมพ์จะต้องแสดงให้เห็น:

ความหนาแน่นที่ทำซ้ำได้

โครงสร้างจุลภาคที่เสถียร

ต้านทานรังสี

ประสิทธิภาพการกัดกร่อน

ความเหนียวแตกหัก

ความน่าเชื่อถือในระยะยาว-

ทุกขั้นตอนของกระบวนการต้องมีการตรวจสอบอย่างเข้มงวด

การผลิตแบบเติมเนื้อจะทำให้เกิดตัวแปรเพิ่มเติม ได้แก่:

ความสม่ำเสมอของชั้นฟิวชั่น

ความเค้นตกค้าง

การควบคุมความพรุน

ความคงตัวทางเคมีของผง

สร้างเอฟเฟกต์การวางแนว

สำหรับการติดตั้งนิวเคลียร์ แม้แต่ความไม่สอดคล้องกันในระดับจุลภาคก็ยังจำเป็นต้องมีการศึกษาลักษณะเฉพาะที่กว้างขวาง

การวิจัยเชิงรุกโดยห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมแห่งชาติ

โครงการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับห้องปฏิบัติการแห่งชาติ มหาวิทยาลัย และผู้จำหน่ายเครื่องปฏิกรณ์กำลังสำรวจความท้าทายเหล่านี้อย่างจริงจัง

สาขาวิชาวิจัยที่สำคัญ ได้แก่ :

การทดสอบการฉายรังสี

หลัง-สร้างการบำบัดความร้อน

การตรวจสอบกระบวนการในแหล่งกำเนิด

การตรวจจับข้อบกพร่อง

กรอบคุณสมบัติ

แม้ว่าการใช้งานเชิงพาณิชย์ยังคงอยู่ในการพัฒนา แต่โมเมนตัมก็กำลังเร่งตัวขึ้น เนื่องจากโปรแกรมเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงแสวงหาระบบระบายความร้อนที่เบากว่าและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์

ผลกระทบดังกล่าวมีมากกว่าประสิทธิภาพของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเพียงอย่างเดียว

สถาปัตยกรรมเครื่องปฏิกรณ์ที่เล็กลงและปลอดภัยยิ่งขึ้น

ด้วยการลดน้ำหนักส่วนประกอบและเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การผลิตแบบเติมเนื้ออาจช่วยให้:

แกนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กกว่า

สินค้าคงคลังน้ำหล่อเย็นลดลง

การกำจัดความร้อนแบบพาสซีฟเร็วขึ้น

ระบบกักเก็บขนาดกะทัดรัดยิ่งขึ้น

ความปลอดภัยเชิงรับที่ได้รับการปรับปรุงมีความสำคัญอย่างยิ่งใน-แนวคิดเครื่องปฏิกรณ์ยุคถัดไปที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่ง่ายขึ้นและต้นทุนการก่อสร้างที่ลดลง

รูปทรงการพิมพ์ที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพในระดับสูงยังสามารถลดปริมาณวัสดุโครงสร้างที่อยู่รอบแกนกลาง ปรับปรุงความคุ้มค่าของนิวตรอนและประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์โดยรวม

บทสรุป

การผลิตแบบเติมเนื้อกำลังเปิดขอบเขตใหม่สำหรับเทคโนโลยีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน Zircaloy-4 โดยทำให้โครงสร้างแบบตาข่ายน้ำหนักเบา- มีประสิทธิภาพทางเรขาคณิตที่ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ด้วยการใช้เลเซอร์ผงเบดฟิวชั่น วิศวกรสามารถสร้างสถาปัตยกรรมเซลล์ที่มีผนังบาง ซึ่งช่วยลดน้ำหนักได้สูงสุดถึง 40% ในขณะที่เพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อน และรักษาคุณสมบัติการดูดกลืนนิวตรอนต่ำซึ่งจำเป็นสำหรับการดำเนินงานด้านนิวเคลียร์

แม้ว่าข้อกำหนดคุณสมบัติสำหรับส่วนประกอบนิวเคลียร์ที่พิมพ์ออกมายังคงเข้มงวด แต่ความพยายามในการวิจัยในห้องปฏิบัติการระดับชาติและผู้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ยังคงพัฒนาเทคโนโลยีไปสู่การใช้งานจริง การผลิตแบบเติมเนื้ออาจช่วยให้ระบบเครื่องปฏิกรณ์ในอนาคตมีขนาดเล็กลง เบาขึ้น และมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนมากขึ้นในท้ายที่สุด ขณะเดียวกันก็รักษาขอบเขตความปลอดภัยตามที่วิศวกรรมนิวเคลียร์ต้องการ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนิวเคลียร์รุ่นต่อไปอาจไม่เกิดขึ้นจากห้องตัดเฉือนแบบธรรมดา แต่มาจากระบบผง-เบดที่สร้างโครงสร้างไม่หนากว่าแผ่นกระดาษ แต่ยังสามารถอยู่รอดต่อความต้องการอันมหาศาลที่เกิดจากพลังงานที่ควบคุมของอะตอมได้