Pokroky v technologii 3D tisku, především kovů a špičkových kompozitních materiálů, vedly k rozšíření „tištěných“ výrobků do řady odvětví. Celkem přirozeně hlavně těch, kde se cena neodvíjí ani tak od kilogramu, ale od kvality a zaručených vlastností a kde hraje roli čas na vývoj. Dobrý příkladem může být medicína, letectví a nově i jaderná energetika.
Díky 3D tisku je dnes možné vyvíjet a následně vyrábět mnohem komplexnější díly s tvary (a tedy i funkcemi), které dříve prostě vyrobit nešly. A kupříkladu výrobce leteckých motorů GE Aviation Czech se takto při výrobě prvního prototypu nového motoru Catalyst určeného pro malá korporátní letadla například chlubí, že díky této technologii šetří díly i čas na vývoj.
„Kupříkladu namísto 50 dílů, které bychom v případě odlévání tvořili zvlášť, zvládneme vytisknout celek,“ řekl nedávno pro Hospodářské noviny šéf GE Aviaton Czech Milan Šlapák.
Díky tomu se nový motor Catalyst určený pro malá trysková letadla skládá z pouhých necelých dvou tisíců dílů místo zhruba 2 800 součástek, které potřebovala předchozí generace. Podle Šlapáka se totiž podařilo 855 původních dílů nahradit 12 prvky vyrobenými aditivní technologií, tedy 3D tiskem.
3D tisk se postupně přesouvá také do další oblasti, ve které více než cena hrají důležitější roli jiné přednosti 3D tisku, do nitra jaderných elektráren. Mohl by být jednou z klíčových technologií pro výrobu malých a bezpečných jaderných reaktorů nové generace. Nejnovější příklad toho, jak by se technologie mohla uplatnit, nabízí společnost Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC).
KERAMIKA NA MÍRU
USNC si od americké federální Oak Ridge National Laboratory licencovala novou technologii aditivní výroby, která má umožnit vyrábět komponenty jaderných reaktorů nikoli z kovů, ale z technické keramiky. Ta je mnohem odolnější vůči radiaci a extrémním teplotám, což jí umožní urychlit vývoj bezpečných a cenově dostupných reaktorů příští generace.
Mladá firma sídlící v americkém Seattlu vyvíjí mimo jiné i kompaktní reaktor pro rakety s jaderným pohonem. Jejím hlavním produktem však mají být malé modulární reaktory. První reaktor chce uvést do provozu do roku 2026, ale jak to u start-upů bývá, tento údaj je nutné brát s velikou rezervou.
Ať již reaktor v příštích letech postaví, či nikoliv, základem designu USNC jsou „pelety“. [Palivo má podobu malých pelet vkládaných do tenkých trubek — palivových proutků vyrobených obvykle ze slitin zirkonu; proutky se dále skládají do kazet — souborů/článků — pozn. red.] Ty obsahují drobné částečky uranového paliva v keramickém obalu, kterou jsou pak všechny uzavřeny v matrici z karbidu křemíku (SiC — karborundum, tedy sloučenina pouze uhlíku a křemíku).
Karbid křemíku je materiál, který se díky velké tvrdosti používá i jako brusný materiál a někdy také jako lacinější, i když poněkud méně výkonná náhrada diamantu. Místo našel třeba i v moderních kompozitních pancířích. Jeho hlavní výhodou je odolnost i v podmínkách tak extrémních, jaká se vyskytují v aktivní zóně jaderného reaktoru. Je tedy považován za vhodnou náhradu za zirkonové slitiny využívané jako materiál obalu jaderného paliva.
Karbid křemíku nemá ovšem jen výhody. Například ne zcela příznivě totiž ovlivňuje tok neutronů v reaktoru, což je ovšem možné kompenzovat využitím přidaných materiálů. Další nevýhodou je, že výroba dílů se složitějším tvarem z tohoto materiálu je obtížná, alespoň s využitím tradičních metod.
V laboratořích Oak Ridge vyvinutá technika 3D tisku tohoto materiálu však kombinuje využití speciálního pojiva s výrobním procesem samotného karbidu. Ve výsledku by tak měla umožňovat „tisk“ složitých geometrických tvarů.
Stejně jako ve zmíněném případě u leteckého motoru GE Aviation by i v případě reaktorů měla mít metoda několikero výhod. Mohla by být levnější než výroba podobných dílů dnes běžnými postupy, přitom využívá materiál, který by v prostředí reaktoru měl mít vyšší trvanlivost i spolehlivost. Navíc by mělo být možné navrhovat a vyrábět také díly, které by dříve možné nebyly.
„Nově licencovaná technologie 3D tisku se stane klíčovou součástí výrobního procesu společnosti USNC,“ řekl Kurt Terrani, výkonný viceprezident divize USNC pro časopis IEEE Spectrum. Společnost ji bude používat k výrobě obalů z karbidu křemíku pro své jaderné palivo a také k výrobě nepalivových konstrukčních součástí pro své reaktory. Vlastnosti materiálu by měly přispět k tomu, aby pokročilé reaktory tohoto typu byly bezpečnější než tradiční reaktory využívající především kovové komponenty.
NEDŮVĚŘUJ, PROVĚŘUJ
Samozřejmě, karbid křemíku je v oboru novinkou, na kterou se musí nahlížet s nedůvěrou. Bezpečnost je v jaderném průmyslu vším a nové materiály nemohou být v reaktorech využívány bez řádných technických podkladů a zkoušek. Úřady jaderného dozoru budou vyžadovat doklady o tom, že se opravdu budou chovat tak, jak by měly. USNC by ovšem do technologie těžko investoval, kdyby nebyla už z velké části hotová. Už v laboratořích Oak Ridge se nové 3D tištěné materiály rozsáhle testovaly nejen mimo jaderné reaktory, ale i v nich.
3D tisk navíc není v jaderném průmyslu žádnou novinkou. Jako první prakticky využila 3D vytištěný díl v jaderné elektrárně společnost Siemens v roce 2017. Šlo o drobnost — malý kovový díl pro protipožární vodní čerpadlo používané v elektrárně ve Slovinsku, nicméně to byl důležitý první krok k zavedení těchto technologií do praxe ve větším měřítku. Od té doby přistoupily k využívání aditivních technologií v rámci komerčních reaktorů i další firmy.
V roce 2020 společnost Westinghouse využila takto vyrobené díly v souborech jaderného paliva pro jadernou elektrárnu společnosti Exelon v Illinois. A v loňském roce dostala elektrárna Tennessee Valley Authority v Browns Ferry v Alabamě čtyři držáky palivového souboru z nerezové oceli vyrobené 3D tiskem právě v laboratořích Oak Ridge.
Laboratoř ale míří podstatně výš. Hodlá vybudovat reaktor s aktivní zónou kompletně vyrobenou aditivními metodami. Demonstrační jednotka vznikající v rámci programu Transformational Challenge (Výzva pro zásadní změnu) má být uvedena do provozu do roku 2024. Mimochodem, v článku citovaný viceprezident USNC Terrani je bývalým technickým ředitelem tohoto projektu.
USNC plánuje využít know-how Oak Ridge v oblasti 3D tisku k vybudování nového pilotního zařízení pro výrobu paliva do svých laboratoří. Vzniknout by mělo v blízkosti areálu laboratoře ve východním Tennessee. Pokud se to podaří, mohlo by jít o významný impulz pro posun uplatňování 3D tisku v jaderné energetice.