애플리케이션 스포트라이트:3D 프린팅이 원자력 산업의 혁신을 지원하는 방법

3D 프린팅은 현재 운영 중인 원자력 발전소와 미래의 원자력 발전소 모두에 중대한 혁신을 가져올 수 있는 흥미로운 기술입니다.

원자력 산업은 믿을 수 없을 정도로 보수적인 것으로 유명하지만 예비 부품 및 고급 원자력 발전소 부품에 대한 기회를 탐색하기 위해 점차 3D 프린팅을 채택하고 있습니다.

이 기사는 원자력 산업에서 3D 프린팅을 채택한 동인에 대해 자세히 설명하고 이 분야에서 가장 흥미로운 발전을 탐구합니다.

이 시리즈에서 다루는 다른 애플리케이션 살펴보기:

열 교환기를 위한 3D 프린팅

베어링용 3D 프린팅

자전거 제조를 위한 3D 프린팅

디지털 치과 및 투명 교정기 제조를 위한 3D 프린팅

의료용 임플란트를 위한 3D 프린팅

3D 인쇄 로켓과 우주선 제조의 미래

신발 제조를 위한 3D 프린팅

전자 부품용 3D 프린팅

철도 산업의 3D 프린팅

3D 인쇄 안경

최종 부품 생산을 위한 3D 프린팅

브라켓용 3D 프린팅

터빈 부품용 3D 프린팅

3D 프린팅으로 유압 부품의 성능 향상

원전 부품에 3D 프린팅을 채택한 이유는 무엇입니까?

원전 산업은 어려운 시기를 겪고 있습니다. 이러한 투자와 관련된 비용은 계속 상승하고 다른 에너지원의 비용은 하락함에 따라 대형 원자로의 신규 건설 시장이 정지되고 있습니다.

또한 대형 원자로는 관련 문제가 몇 가지 있습니다. 복잡한 건설 및 설치, 안전 규정, 수리 및 기타 고비용 위험.

동시에 원전 해체가 급증하고 있습니다. 많은 수의 원자력 시설이 가동을 중단했으며 이 수는 향후 몇 년 동안 상당히 증가할 것으로 예상됩니다.

원자력 발전의 한 가지 방법은 기존의 대형 원자로의 많은 단점을 극복하는 소규모 원자로에 있을 수 있습니다. SMR(소형 모듈식 원자로)이라고 하는 이 시스템은 건설 일정을 극적으로 단축하고 원자력을 보다 저렴하게 건설 및 운영할 수 있게 할 것으로 예상됩니다.

SMR을 생산하려면 원자로 부품의 설계 및 생산에 대한 새로운 접근 방식이 필요합니다 , 향상된 부품 성능, 더 작은 크기, 더 나은 열 관리 및 더 짧은 리드 타임과 같은 이점이 있습니다.

그리고 이것이 3D 프린팅이 그림에 들어가는 곳입니다.

3D 프린팅 또는 적층 제조(AM)는 설계 유연성으로 유명하여 원자력 부품 제조업체에 많은 가능성을 열어줍니다.

설계 유연성과 도구의 필요성 제거는 부품 통합을 가능하게 하며, 이를 통해 여러 구성요소를 하나로 설계하고 인쇄할 수 있습니다.

게다가 더 복잡한 형상도 가능합니다. 3D 프린팅을 통해 더 작은 크기의 부품과 그에 따른 성능 향상을 가능하게 합니다.

이의 예로는 200미크론만큼 얇은 벽과 구성요소 내부의 작고 복잡한 흐름 채널로 설계할 수 있는 3D 인쇄 열 교환기가 있어 내부의 열 전달 표면이 더 커집니다. 표면적이 클수록 더 많은 열을 제거할 수 있어 열교환기의 성능이 향상됩니다.

원자력 산업을 위한 3D 프린팅 기술

PBF(Powder Bed Fusion), 금속 및 모래 바인더 분사 및 DED(직접 에너지 증착)를 포함하여 원자력 산업에 적용하기에 적합한 여러 AM 기술이 있습니다.

강력한 레이저를 사용하여 재료를 녹이는 프로세스인 분말층 융합을 통해 제조업체는 향상된 성능으로 더 복잡한 구성 요소를 만들 수 있습니다.

바인더 분사를 특히 모래와 함께 사용하면 모래 주형을 3D 인쇄하여 비용과 시간을 절약할 수 있으므로 이러한 주형을 수동으로 만들 필요가 없습니다.

노즐을 통해 빌드 플랫폼에 증착될 때 금속 재료를 레이저 또는 전자빔으로 녹여서 작동하는 DED 기술은 대형 주물 및 단조품의 대안으로 사용될 수 있습니다. 또는 그들에 추가로. 이 프로세스는 리드 타임, 가공 및 재료 낭비를 줄일 수 있습니다.

특정 DED 공정은 또한 기존 방법에 비해 향상된 재료 특성을 제공합니다. 예를 들어 부식 및 내마모성을 위해 표면 처리하는 것과 같은 재료의 국부적 맞춤화에 사용할 수 있습니다.

이 기술은 고가 부품, 공구 및 베어링 표면의 수리에도 적합합니다.

원자력 산업의 주요 3D 프린팅 애플리케이션

교체 부품

원전이 노후화됨에 따라 교체 부품을 찾는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 특히 설계가 사실상 불가능하기 때문입니다. 예를 들어, 미국의 많은 원자력 발전소는 40년이 넘었고 원래 부품을 만든 많은 회사가 더 이상 존재하지 않습니다.

3D 프린팅을 사용하면 리버스 엔지니어링을 사용하여 누락된 예비 부품 중 일부를 생산할 수 있으므로 처음부터 금형을 만들 필요가 없습니다.

예를 들어 펌프 엔지니어링 및 서비스 회사인 Hydro Inc.는 리버스 엔지니어링을 사용하여 원자력 시설에서 사용되는 임펠러용 모래 주형을 설계하고 3D로 인쇄했습니다. 그런 다음 금형을 주조 공장으로 보내 부품을 만들기 위해 금속을 부어넣었습니다.

또 다른 예에서 Hydro는 이 조합을 사용하여 원자력 발전소의 안전 관련 펌프를 수리했습니다. 전통적인 주조 프로세스는 9개월에서 1년이 소요될 수 있기 때문에 고객이 요구하는 시간 프레임 내에 부품을 OEM으로부터 소싱할 수 없었습니다. 리버스 엔지니어링과 결합된 3D 프린팅을 사용하여 회사는 12주 이내에 펌프를 공급했습니다.

이 기술은 3D 프린팅된 금형 외에도 예비 부품을 직접 생산하는 데 사용할 수도 있습니다.

2017년, Siemens는 슬로베니아의 Krško 원자력 발전소를 위한 최초의 3D 인쇄 예비 부품을 성공적으로 설치함으로써 중요한 이정표를 달성했습니다. 교체 부품인 직경 108mm의 금속성 임펠러로 상시 작동하는 소방 펌프는 원자력 부문의 엄격한 안전 및 신뢰성 요구 사항을 충족했습니다.

원자력 시설의 교체 부품에 3D 프린팅을 사용하면 성숙한 운영 발전소를 계속 운영하고 전체 기대 수명을 달성할 수 있습니다.

고급 구성요소

3D 프린팅을 사용하여 원자력 시스템용 첨단 부품 개발에 대한 관심도 높아지고 있습니다.

예를 들어, 원자력 산업에 제조 및 엔지니어링 서비스를 제공하는 회사인 NovaTech는 3D 프린팅을 사용하여 원자로 노심의 기본 요소를 구성하는 핵연료 집합체의 부품을 개발 및 생산하고 있습니다.

3D 프린팅으로 가능한 연료 집합체의 일부 구성 요소에는 하단 노즐, 고정 스프링, 상단 노즐, 끓는 물 원자로(BWR) 하단 타이 플레이트가 포함됩니다.

NovaTech의 연구에 따르면 예를 들어 Inconel-718을 사용하여 연료봉 하단의 위치를 ​​고정하는 BWR 연료 집합체의 하부 타이 플레이트를 3D 프린팅하면 잔해 필터링 성능이 향상될 수 있습니다.

3D 프린팅으로만 제작할 수 있는 구불구불한 유로 설계로 성능 향상이 이뤄졌다.

이 기술을 사용하면 하단 타이 플레이트 디자인에 채널 씰을 추가하여 부품 수를 줄일 수도 있습니다.

부품 수 최소화 조립은 제조 비용을 줄이고 조립 프로세스를 단순화하므로 특히 유용합니다.

3D 인쇄된 원자로 노심

또 다른 예로 오크리지 국립연구소(ORNL)는 3D 프린팅을 사용하여 TCR(Transformational Challenge Reactor) 프로그램의 일환으로 원자로 노심을 개발하고 있습니다.

ORNL은 2023년까지 원자로 노심을 건설하고 원자로 설계, 제조, 인허가 및 운영에서 새로운 방법을 수립하는 것을 목표로 하고 있으며 3D 프린팅이 이 목표를 달성하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

대부분의 원자로가 재래식 구성 요소로 만들어지지만 우라늄 연료를 보유하고 핵분열 반응을 제어하는 ​​구성 요소를 담당하는 노심은 완전히 탄화규소로 3D 프린팅됩니다. 고온 내성 재료.

TCR 기술 이사인 Kurt Terrani는 '3D 프린팅을 사용하여 원자력 커뮤니티가 지난 수십 년 동안 활용하지 못했던 기술과 재료를 사용할 수 있습니다. '여기에는 거의 자율 제어를 위한 센서와 데이터 라이브러리, 전체 원자력 커뮤니티에 도움이 될 자격에 대한 새롭고 가속화된 접근 방식이 포함됩니다.'

3D 인쇄 플러그 장치

3D 프린팅된 원자로 노심은 아직 개발 단계에 있지만, Westinghouse는 지난달 실제 발전에 사용되는 3D 프린팅 부품을 성공적으로 설치했습니다. 설치된 부품은 핵연료 집합체를 원자로 노심으로 낮추는 데 사용되는 '심블 플러깅 장치'입니다.

이 부분은 원자력 기술 공급업체인 Westinghouse와 미국 최고의 원자력 에너지 공급업체인 Exelon Generation 간의 3년 협력 결과였습니다.

플러깅 장치는 원자력 발전에 필수적이지만 부품이 파손될 경우 피해가 최소화될 것이기 때문에 저위험 부품으로 간주되었습니다.

핵폐기물 관리용 3D 프린팅 부품

결국 모든 핵 대화는 방사성 폐기물과 안전으로 이어집니다.

방사성 폐기물의 장기 관리를 위한 효과적인 솔루션을 찾는 것은 원자력 산업의 또 다른 과제입니다.

3D 프린팅은 엔지니어가 폐기물 재활용 시스템의 새로운 설계를 개발할 수 있도록 하여 이 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

미국 에너지부(Department of Energy)의 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory) 과학자들은 사용후핵연료의 재활용을 촉진할 3D 프린팅 부품을 보유하고 있습니다.

3D 프린팅이 사용되는 방식 이 과정에서 내부 채널이 있는 복잡한 유체 장치인 1.25cm 원심 접촉기 뱅크를 만드는 작업이 포함됩니다. 일단 연결되면 접촉기는 연속적인 재처리 루프를 가능하게 합니다.

현재 원자력 엔지니어는 원자로에서 사용후핵연료의 95%를 재활용할 수 있으며 나머지 5%는 '장기적'으로 저장해야 합니다. 기간 '낭비. 앞서 언급한 3D 인쇄 장비는 후자의 일부를 분류하고 재활용하는 데 사용할 수 있습니다. 즉, 추가로 2%의 핵폐기물을 재활용할 수 있습니다.

2%가 특별히 인상적으로 들리지 않을 수도 있습니다. 저장해야 하는 사용후 연료의 양과 위험 상태로 남아 있는 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

내장 센서용 3D 프린팅

원자로는 온도 및 압력과 같은 변수를 모니터링하기 위해 고도로 장비되어 있습니다. 그러나 극한의 온도와 방사선에 노출될 때 작동 중 원자로 구성 요소의 구조적 상태를 모니터링하는 것은 어렵습니다.

한 가지 장애물은 내열성 및 방사선 내성 물질 내부에 센서를 내장하기 어렵다는 것입니다. 그러나 3D 프린팅이 솔루션을 제공할 수 있습니다.

3D 프린팅으로 구현된 새로운 디자인은 코어에서 직접 데이터를 제공하는 내장형 센서를 허용합니다.

ORNL, 예를 들어 초음파 AM을 사용하여 구조 및 구성 요소에 매우 정확하고 방사선에 강한 센서를 내장하고 있습니다.

또한 미국 에너지부(DoE)는 핵 코어용 전기 센서를 만들기 위한 AM 기술을 개발하기 위한 보조금으로 피츠버그 대학교 스완슨 공과 대학을 지원했습니다.

2017년에 시작된 이 프로젝트는 이미 광섬유 센서 네트워크 개발에서 어느 정도 성공을 거두었습니다. 팀은 최근 MIT 원자로 중 하나에서 코어 내 광섬유 센서의 첫 번째 성공적인 테스트를 축하했습니다.

원자력 응용을 위한 신소재

차세대 원자력 발전소는 고온 부식 문제 및 높은 조사량을 포함하여 공격적인 환경의 요구를 충족하기 위해 재료 혁신이 필요합니다.

AM은 더 빠른 재료 혁신을 지원할 수 있습니다. 예를 들어, 기존 방법으로는 생산할 수 없는 특성을 가진 새로운 합금을 만들 수 있습니다. 이 공정은 또한 기존의 금속 굽힘 방법으로는 작업할 수 없는 실리콘과 같은 재료를 사용할 수도 있습니다.

스웨덴 3D 프린팅 재료 개발업체인 Additive Composite Uppsala와 Add North 3D 사이의 최근 협력으로 방사선 차폐 애플리케이션용 고분자 복합 재료 개발이 그 예입니다.

애드보르 N25라는 이름의 이 소재는 탄화붕소와 나일론을 결합한 소재로 3D 프린팅에 최적화된 필라멘트 형태다. 중성자에 대한 효과적인 흡수를 제공하는 탄화붕소 요소 덕분에 방사선 차폐 기능이 달성됩니다.

3D 프린팅을 통한 원자력 산업 혁신

우리는 원자력 산업에서 3D 프린팅으로 가능한 것의 표면을 긁고 있을 뿐이지만 최근 개발은 이 기술이 제공할 수 있는 엄청난 잠재력을 보여주고 있습니다.

제조업체가 3D 프린팅이 제공하는 자유를 수용함에 따라 개선된 구성 요소 설계를 제공하고 새로운 재료를 탐색하며 더 이상 사용할 수 없는 예비 부품을 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다.

앞으로 몇 년 동안 원자력 기술이 당면한 과제를 극복하고 안전성과 지속 가능성을 더욱 개선하는 데 도움이 되는 더욱 흥미로운 3D 프린팅 혁신을 확실히 보게 될 것입니다.