La FA passe au nucléaire : l'USNC explique comment elle utilise l'impression 3D pour produire son carburant FCM

Jan 11, 2024

"Notre mission est une énergie fiable partout", commence le Dr Kurt Terrani.

L'ancien directeur technique national deLaboratoire national d'Oak Ridge(ORNL) parle àTCTdans son dernier rôle de directeur à SeattleSociété nucléaire ultra sûre (USNC). Il pense que l'USNC est à la pointe de la technologie en matière de combustible nucléaire et de conception de réacteurs, la disponibilité commerciale du combustible entièrement en céramique microencapsulé (FCM) devant représenter un "moment décisif dans la production d'énergie sans carbone" aux États-Unis et au-delà.

Soutenir l'ambition de l'entreprise, c'estExOne la technologie de projection de liant, qui facilite une étape clé dans la fabrication du carburant FCM de l'UNSC. L'USNC travaille avec deux propositions de valeur. Le premier concerne les conceptions de réacteurs nucléaires qui, tant que la gravité est présente et que le fluide chaud monte vers le haut tandis que le fluide froid descend vers le bas, sont intrinsèquement sûres. Et la seconde est la forme combustible FCM qui apporte de multiples barrières à la libération de radionucléides, garantissant ainsi la sûreté nucléaire.

FCM voit le combustible TRISO standard de l'industrie, qui contient les sous-produits radioactifs de la fission dans des revêtements céramiques en couches, enfermés dans une matrice de carbure entièrement dense. Terrani explique : « Tout le jeu consiste à maintenir les radiations à l'intérieur du cœur du réacteur nucléaire. Dans certaines des conceptions [conventionnelles], ils construisent de grandes cuves et de grands dômes de confinement en béton [mais] ces gens ont décidé il y a longtemps quand transférer ce fardeau au combustible lui-même, alors ils ont fabriqué de petites particules de combustible – d'environ un millimètre de diamètre – et ils ont mis diverses couches de revêtement en céramique autour d'eux.

Historiquement, les particules de combustible pouvaient être placées dans une colle de carbone qui maintient les petits récipients sous pression ensemble, mais cela n'est pas considéré comme offrant "beaucoup d'avantages sur la libération de radionucléides". Atténuer cette libération est l'objectif de l'USNC, et pour ce faire, il a cherché à placer des particules de carburant dans des coques en carbure de silicium, qui sont mécaniquement, thermiquement et écologiquement stables. Il était auparavant difficile de fabriquer du carbure de silicium de haute pureté, mais la fabrication additive est considérée comme la technologie habilitante qui facilite la transition à l'USNC.

"L'étalon-or consiste à fritter le matériau à des températures très élevées - plus de 2 000 ° C - ou à effectuer ce processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, [qui est] extrêmement coûteux", explique Terrani. "Ensuite, vous obtenez de gros morceaux de matériau que vous devez usiner. C'est un autre défi [parce que] la seule chose qui peut couper le carbure de silicium est le diamant, vous vous lancez donc dans ce jeu de matériaux extrêmement coûteux, d'usinage extrêmement coûteux. Quiconque regarde cela décide finalement de s'en aller. Eh bien, nous ne pouvions pas nous en aller. Le carbure de silicium est un matériau dont nous avons besoin dans notre proposition de valeur. "

L'impression 3D à jet de liant est la solution ici en raison de sa capacité à traiter les matériaux à température ambiante - le carbure de silicium commencerait à se dissocier à des températures plus élevées, de sorte que les processus qui utilisent un faisceau d'électrons ou un faisceau laser peuvent être décomptés.

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"Nous utilisons un jet de liant pour former du carbure de silicium dans des structures extrêmement complexes et ce qui est unique dans cette technique, c'est qu'elle vous offre une liberté 3D totale", poursuit Terrani. "Souvent, avec l'additif, il y a un certain espace où vous pouvez fabriquer des pièces, mais avec le jet de liant, n'importe quel type de géométrie est réalisable. Alors, nous prenons ce carbure de silicium, très poreux, et nous l'amenons à un autre procédé appelé infiltration chimique en phase vapeur. Nous avons un corps composé de particules de carbure de silicium collées les unes aux autres. vous le chauffez. Ensuite, vous déposez plus de carbure de silicium dans les pores par infiltration chimique en phase vapeur.

Au cours du processus d'infiltration chimique en phase vapeur, les structures en carbure de silicium sont versées dans le four, une plus grande quantité de carbure de silicium étant utilisée pour remplir tout l'espace ouvert. Le résultat est un «carbure de silicium relativement dense, entièrement scellé en surface, solide et très pur dans une géométrie très complexe» qui forme les coques qui font partie de la forme de carburant FCM de l'USNC. Pour les milliers d'éléments combustibles sortant des imprimantes 3D à jet de liant d'ExOne, des codes-barres uniques sont intégrés pendant le processus d'impression pour permettre à l'USNC de gérer la qualité. De l'extérieur, ces éléments ressemblent à un morceau de carbure de silicium, mais à l'intérieur, les particules de carburant ont été disposées d'une manière très particulière pour intégrer des éléments tels que des canaux de refroidissement, le cas échéant.

Ces particules de combustible sont ensuite utilisées dans les systèmes énergétiques du micro-réacteur modulaire (MMR) de l'USNC qui utilisent l'hélium comme gaz inerte car il ne réagit pas chimiquement avec le combustible ou les composants du cœur du réacteur. USNC pense que sa conception MMR a la densité de puissance la plus faible et le rapport surface / puissance le plus élevé de tous les réacteurs jamais commercialisés. Lorsque plusieurs systèmes MMR seront reliés entre eux, ils pourront alimenter des usines chimiques, de grands sites industriels, des communautés éloignées et des villes entières. Des essais sont actuellement en cours dans un réacteur néerlandais, avec des licences avancées en cours au Canada pour la première application et des unités de démonstration prévues pour la première puissance nucléaire en 2026.

USNC

À l'intérieur de l'installation de l'USNC.

Alors que l'USNC s'attèle au développement de ses systèmes MMR et de sa forme de carburant FCM prêts pour une mise en œuvre future, la société prévoit d'investir dans davantage de systèmes à jet de liant ExOne. Il utilise actuellement à la fois la machine X160Pro, qui est utilisée pour l'impression de grandes structures sans carburant et la X25Pro pour fabriquer les structures dans lesquelles le carburant est intégré. L'USNC dispose également d'une division de technologie avancée axée sur les applications spatiales et de propulsion qui s'appuie également sur la capacité d'impression 3D interne. Certaines machines fonctionnent avec du carbure de silicium et d'autres avec du carbure de zirconium, le même processus d'infiltration de vapeur chimique se produisant après l'impression.

"Avec ces machines, nous réalisons un travail de qualité nucléaire", déclare Terrani. "Une fois qu'il va avec un certain type de poudre, tu ne seras jamais changé. Nous n'allons pas changer même si les systèmes sont conçus de cette façon. [Avec] la rigueur de la qualité nucléaire qui nous est imposée, nous devons garder les systèmes très propres et dédiés à un processus très spécifique. C'est pourquoi nous avons plusieurs systèmes ; pour différents composants et aussi différents carbures céramiques qui se prêtent à nos différentes conceptions."

Terrani pense que les conceptions de réacteurs précédentes, par exemple, ont été affamées par les contraintes des procédés de fabrication conventionnels, citant l'ensemble de barres qui composent les réacteurs à eau légère traditionnels qui n'ont été produits de manière uniforme que parce que les fabricants ne voulaient pas changer leur outillage pour chaque barre. La fabrication additive fournit ici une solution pour l'UNSC, tout comme elle le fait dans les coques en carbure de silicium pour sa forme de carburant FCM.

Aujourd'hui, l'USNC est convaincue d'avoir surmonté tous les principaux obstacles à la recherche et au développement sur son chemin et se lance maintenant dans l'ingénierie, l'octroi de licences et le déploiement. À mesure que l'urgence climatique s'intensifie, le besoin d'une énergie plus propre et plus fiable augmente. L'USNC a entrepris sa mission en 2011, la même année où la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi a vu tous ses générateurs sauf un détruits par un tsunami. Il s'agit de l'accident nucléaire le plus grave depuis la catastrophe de Tchernobyl en 1986, avec 154 000 personnes devant être évacuées.

Ces incidents, bien que rares et imprévus, ont considérablement porté atteinte à la réputation de l'énergie nucléaire. De nombreux sites ont été déclassés dans la foulée, tandis que des groupes comme Greenpeace ont longtemps fait campagne contre l'utilisation de l'énergie nucléaire. Mais en faisant progresser la technologie qui alimente son MMR et son FCM - et en mettant l'accent sur la faible production de carbone de l'énergie nucléaire - l'USNC détecte un changement potentiel dans la musique d'ambiance et fait partie de ceux qui poussent vers l'avant avec un réacteur moderne et plus efficace, alimenté par un combustible plus récent et plus propre.

"Le changement climatique est à nos portes", conclut Terrani. "Quiconque dit qu'il y a une solution, je pense qu'il n'est pas sincère, mais le nucléaire est clairement une partie très importante de cela. Regardez l'énergie nucléaire telle qu'elle est disponible aujourd'hui, ce sont des conceptions des années 1950/1960 qui ont été un peu modifiées dans les années 70 et 80. 0 milliard de dollars pour construire l'une de ces choses - et deuxièmement, la philosophie de la sécurité était différente. Dans les années 50 et 60, ils ont proposé des scénarios limites et ont dit : "nous nous assurerons que le réacteur est sûr dans ces scénarios limites […] et quoi que ce soit au-delà, nous ne nous en soucions pas." Et je ne parle pas des conceptions orientales qui ont rejeté même ces principes de base, comme Tchernobyl.

"Les principes de conception et la philosophie sont dépassés, et économiquement, le nucléaire tel qu'il se faisait auparavant est voué à l'échec. De quoi avons-nous besoin ? Je peux vous le dire. La plupart du temps, les gens pensent que le nucléaire n'est pas là en raison de l'opinion publique. C'est une excuse. Le nucléaire n'est pas là parce que les vendeurs ne sont pas en mesure de l'offrir."

par Sam Davies

3 janvier 2023

10:00