3D-geprint keramiek helpt Europese onderzoekers bij het ontwerpen van innovatieve kernreactoren. Met dit EU-project moet supervernietiging onmogelijk zijn, moet de radioactiviteit van nucleair afval drastisch worden verminderd en moeten isotopen voor kankeronderzoek worden geproduceerd.

project idee

MYRRHA is de naam van een innovatief en ambitieus Europees project om een ​​schone en veilige kerncentrale van de volgende generatie te ontwikkelen. Met een budget van ongeveer 1,6 miljard euro tegen 2036 in Mol, België nieuwe kernreactor ontstaan, die drie belangrijke verbeteringen heeft ten opzichte van de huidige energiecentrales:

• De zogenaamde “transmutatie” vermindert drastisch de radioactiviteit van nucleair afval, wat: beschikbaarheid volgens een schatting van ongeveer 300.000 jaar met een factor 1000 verkort tot slechts 300 jaar
• De reactorkern is zo ontworpen dat deze bij storingen en dergelijke direct uitschakelt Super vernietiging onmogelijk is
• Naast wetenschappelijk onderzoek, hebben reactoren ook belangrijke radio-isotoop voor kankeronderzoek en therapie gegenereerd

In de huidige ontwerpfase is het Institute for Thermal Energy Technology and Safety (ITES) Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT) betrouwbaarheid van de thermohydraulische componenten van een onderzoeksreactor in België. Bijzondere aandacht gaat uit naar de prestaties van de roestvrijstalen zeshoekige brandstofstavenbundel in de reactorkern, waar een vloeibaar bismut-loodmengsel als koelmiddel doorheen stroomt. De vorming van loodoxide of andere afzettingen van vreemde stoffen in het gesmolten metaal kan een zogenaamde “blokkering” veroorzaken, wat een negatief effect heeft op de koeling van de reactor.

Daarom is in samenwerking met ITES een keramische “remvloeistof” ontwikkeld, die bedoeld is om deze mogelijke blokkade geometrisch nauwkeurig weer te geven. Dit maakt een nauwkeurigere berekening van het stromings- en koelgedrag mogelijk met behulp van “Computational Fluid Dynamics (CFD)”. De gebruikte pluggen moeten voldoen aan de specifieke uitdagingen die gepaard gaan met een temperatuurbereik van 200 °C tot 450 °C, stabiliteit bij stroomsnelheden tot 2 m/s in gesmolten metaal en nauwkeurig gedefinieerde geometrieën in het millimeterbereik.

3D-replica van keramisch metaaloxide

In het verleden werden verschillende soorten metalen gaasstructuren getest om de blokkering van de bovengenoemde koelmiddelstroom te illustreren. Deze testreeks kan echter maar tot op zekere hoogte aan de specificaties voldoen. Dus hebben we er een gekozen 3D-geprint ZrO-keramiek₂om de volgende voordelen te krijgen:

• Keramiek biedt de thermische en chemische stabiliteit die nodig is voor agressieve omgevingen in testreactoren
• ZrO₂ heb er een lage thermische geleidbaarheid (WLF) die zo dicht mogelijk bij de geleidbaarheid van het metaaloxide ligt en daarom de betrouwbaarheid van de simulatie verhoogt
• De poreuze structuur van metaaloxiden kan 3D worden geprint trouw aan details (zie schematische weergave van de componenten) om de weerstand van de blokkering van de stroming idealiter te simuleren
• door flexibiliteit 3D-printen maakt het gemakkelijk om de geometrie aan te passen. Door meerdere iteraties uit te voeren, is het mogelijk om de juiste geometrie te vinden voor optimale componentprestaties in de simulatie

De gedetailleerde simulaties zijn bedoeld om het gedrag van de gebruikte koelvloeistofstroom en de thermische belasting van de verwarmingsstaven in de eigenlijke reactor nauwkeurig te voorspellen. In het Karlsruhe-instituut werden voorbereidende tests uitgevoerd met het speciaal voor dit doel gemaakte circuitsysteem “THEADES” voor tinbismut. Ter illustratie vindt u aan het einde van het artikel een schematische weergave van het circuit en een bundel brandstofstaven inclusief een 3D-geprinte keramische plug. De gegevens die door middel van simulatie zijn verkregen, helpen mogelijke fouten zo vroeg mogelijk in de ontwerpfase van de reactor te identificeren, aangezien latere aanpassingen erg moeilijk en duur zijn om door te voeren.

Technische uitdagingen bij keramisch 3D-printen

Om het gevormde metaaloxide realistisch na te bootsen, moeten de keramische componenten een vergelijkbare stromingsweerstand produceren. Dit wordt bereikt door een hoge pakkingsdichtheid en een smalle kanaalstructuur, die de stroom van het lood-bismutmengsel “vertraagt”. Belangrijk voor vervolgberekeningen is één isotrope vloeibaarheidd.w.z. de resulterende stromingsweerstand moet hetzelfde zijn over het oppervlak van het onderdeel. Als er een discrepantie is, kiest het gesmolten metaal de weg van de minste weerstand en wordt het resultaat vervalst.

3D-printen kan de vereisten beter weerspiegelen dan andere productieprocessen. Er zijn echter verschillende uitdagingen die moeten worden overwonnen in het proces:

• Geometrie moet bedrukbaar en, belangrijker nog, schoon te maken zijn. “Post-processing” (reiniging) van componenten wordt erg moeilijk door de hoge pakkingsdichtheid
• Algemene structuren zoals gyroïdale of diamantroosters hebben geen isotrope vloeibaarheid, dus moeten nieuwe geometrische structuren worden ontwikkeld om blokkering realistisch weer te geven.
• De combinatie van hoge complexiteit en dunne verbindingsbruggen vergroot de kans op fouten in het drukproces. Om dit te voorkomen, moeten de afdrukparameters individueel worden aangepast aan de geometrie

visie

Iteraties tot nu toe laten zien dat de resulterende geometrie van de 3D-geprinte keramische put de blokkade reproduceert die wordt veroorzaakt door het gevormde metaaloxide. Kleine aanpassingen zijn bedoeld om de simulatie verder te optimaliseren, maar uit de resultaten blijkt dat de 3D-geprinte remvloeistof voldoet aan de eisen die daaraan worden gesteld en daarmee een belangrijke bijdrage gaat leveren aan de reactorsimulatie.

Heeft het artikel uw interesse gewekt? Onder https://hilgenberg-ceramics.de/news/ we publiceren regelmatig voorbeeldtoepassingen om u dichter bij de mogelijkheden van keramisch 3D-printen te brengen. Daar vindt u ook onze contactgegevens als u nog vragen heeft.

U kunt meer informatie vinden over de activiteiten van onze partners bij KIT op www.ites.kit.edu.