Программа реакторов Transformational Challenge Национальной лаборатории Ок-Ридж надеется перенести ядерную энергетику в 21 век за счет использования 3D-печати и искусственного интеллекта для проектирования и производства технологии активной зоны реактора. Узнаем больше.
Ядерная энергетика переживает кризис. За 20 лет в США и Западной Европе была построена только одна атомная станция. Страны либо полностью отказываются от этой технологии, либо вводимые в эксплуатацию проекты сталкиваются с растущими затратами. Кроме того, переход от крупномасштабной базовой энергетики к периодическим возобновляемым источникам энергии ставит под сомнение актуальность ядерной энергетики в будущем.
«Мы потеряли волю или не знаем, как проектировать, строить и развертывать ядерные системы, как мы делали это раньше в 50-х, 60–х и 70-х годах — мы не строили усовершенствованных реакторов без водяного охлаждения около 40 лет», — говорит Курт Террани, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа.
Продолжающийся исследовательский проект в лаборатории, получивший название Программа реактора Transformational Challenge, техническим директором которой является Террани, направлен на изменение этого удручающего факта. Он работает с материальными, вычислительными и производственными науками, а также 3D-печатью, искусственным интеллектом и большими данными для продвижения дизайна активной зоны реактора.
«Мы хотим использовать эти технологические достижения и лучшие новые материалы, чтобы показать, что мы можем поставить лучшие, более безопасные системы, которые могут быть развернуты быстрее», — говорит Террани.
Он идет дальше, объясняя необходимость инноваций в атомной промышленности: «Я очень подозрительно отношусь к инженерам-атомщикам, потому что они не сделали ничего нового за последние 40 лет, но если вы посмотрите на технологии природного газа, эти ребята были инноваторами».
«Если вы главный финансовый директор коммунального предприятия, это своего рода безумие, чтобы идти вперед и делать ставку на ядерную энергию, в то время как газ имеет очень низкую капитальную стоимость. Нам нужны более эффективные, лучшие системы. Наша мечта состоит в том, чтобы разорвать воздержание от строительства передовых реакторов в этой стране [США]».
Решение проблемы издержек
Больше всего беспокоит то, как взлетели цены на ядерную энергию. Например, атомная электростанция Hinkley Point C в Великобритании, как ожидается, обойдется в 22 миллиарда фунтов стерлингов.
Чтобы решить проблему затрат, исследователи из Ок-Риджа, крупнейшей национальной лаборатории науки и энергетики в Департаменте энергетических систем, совершенствуют свою конструкцию 3D-печатной газовой трубы к активной зоне реактора, которая может использовать масштабированное аддитивное производство для строительства. Прототип представляет собой «микро» реактор мощностью три мегаватта.
Используя методику 3D-печати, разработанную во время прошлой программы, он может печатать с использованием карбида кремния, который является огнеупорным материалом с высокой термостойкостью и радиационной стойкостью.
«3D-печать позволяет нам добиться высокой сложности проектирования, например для каналов охлаждения, используя некоторые высокоэффективные материалы, что раньше было невозможно. Например, используя такой материал, как карбид кремния, мы можем значительно повысить производительность и безопасность нашего сердечника», — объясняет Террани.
Обеспечение гарантии качества
Кроме того, 3D-печать облегчает строительство в небольших объемах и с «гибридными» структурами. Это означает, что вместо использования куска одного материала, такого как сталь, исследователи могут встроить и включить другие компоненты в материал, в частности датчики.
«Путем включения и внедрения датчиков и сенсоров в структуры, мы можем извлечь гораздо больше информации из нашей системы, такой как мониторинг здоровья. Это позволяет нам получать больше данных из системы в целом, что важно для снижения эксплуатационных расходов, потому что это создает более надежную систему с лучшей информацией мониторинга, а это означает, что больше процессов может быть автоматизировано», — объясняет Террани.
Это также может повысить квалификацию и качество технологии за счет возможности тщательно проверять, как производятся материалы и соответствуют ли они критериям производительности.
«Квалификация обычно занимает много времени и требует много людей, а когда у вас есть ядерная печать на компоненте, стоимость еще выше. Но поскольку мы делаем 3D-печать в небольших объемах, мы можем собирать информацию по мере ее выполнения, мы можем записывать ее с помощью камер, использовать сенсоры и другие вещи для сбора информации по множеству различных параметров», — говорит Террани.
Исследователи собирают «несколько сотен гигабайт» наборов данных, которые используются с искусственным интеллектом для поиска критических параметров производительности. Эта информация затем используется для определения того, соответствует ли изготовленная деталь необходимым стандартам качества, что является большой составляющей затрат для ядерных систем.
Исследователи также планируют создать цифровую платформу, которая поможет отрасли принять аддитивные технологии производства атомной энергии.
Обеспечение будущего ядерной энергетики
Террани говорит, что проектирование реакторов таким образом отличается от того, что он называет созданием «бумажных реакторов, которые работают на компьютерах, но которые никто на самом деле не может построить».
«Мы пробуем гибкий, итеративный и динамичный подход, который подходит для мультидисциплинарных проектов. Вместо того, чтобы заниматься дизайном в течение многих месяцев или лет, мы занимаемся дизайном днями и неделями, а затем печатаем его на 3D-принтере», — говорит он. — «Затем, начиная с прототипа, мы можем измерить свойства и рабочие параметры и передать их обратно в проект».
Возможно также, что внедрение передовых технологий, таких как искусственный интеллект и 3D-печать, может привлечь новое поколение инженеров-ядерщиков.
«Конечно, наличие этих передовых технологий — это морковка для молодого поколения, но мы также привлекаем компьютерщиков, материаловедов и специалистов по производству», — говорит Террани.
Лаборатория Ок-Риджа намерена запустить первый в своем роде реактор к 2023 году. В настоящее время она сосредоточена на доработке выбранной конструкции и технологических процессов, которые обеспечат оптимальную и надежную энергетическую систему.
В конечном счете, Террани надеется, что проект предоставит еще один «инструмент» для «инструментария» разработчика.
«Суть этой программы состоит в том, чтобы создать лучшие ядерные реакторы с меньшими затратами и лучшей безопасностью – но также и построить их», — заключает Террани.
«Лично я разочарован и устал от того, что все остальные отрасли используют передовые технологии, а в ядерной мы не умеем их использовать; мы надеемся, что сможем открыть дверь».
