Kan 3D printen de kosten van kernenergie fors verlagen?

Onderzoekers van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory hebben een prototype van een nieuw type kernreactor 3D geprint. Nu de haalbaarheid is aangetoond, gaan ze het ontwerp voor een 3D geprinte kern verfijnen, het printproces opschalen en ontwikkelen ze een methode om de kwaliteit van het 3D printproces aan te tonen. Tegen 2023 moet de eerste kernreactor een feit zijn.

---

Ruim anderhalf geleden, tijdens de IMTS, gaven onderzoekers van het Amerikaanse onderzoeksinstituut al aan dat ze groen licht hadden gekregen voor de eerste stappen in dit ambitieus project. In het Transformational Challenge Reactor Demonstration project wil men een type kernreactor ontwikkelen, waarmee kerncentrales veel sneller gebouwd kunnen worden, tegen aanzienlijk lagere kosten. Een kerncentrale die qua kostprijs kan concurreren met andere energiebronnen. Additive manufacturing speelt hierbij een belangrijke rol, omdat men daarmee de onderdelen specifiek voor hun toepassing kan designen en functies integreren. 

Oak Ridge National Laboratory 3D print prototype van kernreactor 

Bestaande denkrichtingen doorbreken 

“De nucleaire industrie is nog steeds beperkt qua denken over hoe we nucleaire energietechnologie ontwerpen, bouwen en toepassen”, zegt Thomas Zacharia, directeur van Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Het departement voor energievoorziening heeft het programma gelanceerd om tot een heel nieuwe aanpak te komen. Het doel is baanbrekende oplossingen voor de productie van schone, hernieuwbare energie te ontwikkelen. Voor de nieuwe kern, waarin de splijtstof zit, gebruikt men nieuwe, geavanceerde materialen, integreert men sensoren en heeft men het hele systeem dusdanig geoptimaliseerd, dat zowel de bouw- als operationele kosten van een kerncentrale sterk gereduceerd worden. 

Fundamenteel onderzoek klaar, prototype geprint 

Het fundamenteel onderzoek voor het TCR-project is afgerond. Hierbij is dankbaar gebruik gemaakt van additive manufacturing om snel een prototype van de kern te produceren. Met de eerste 3D geprinte kernreactor heeft men de haalbaarheid gedemonstreerd. “Additive manufacturing is klaar om een 3D geprinte kernreactor te demonstreren”, aldus Kurt Terrani, technisch programmadirecteur. Volgens hem maakt additive manufacturing het nieuwe concept mogelijk. “Dankzij 3D printen kunnen we technologie en materialen gebruiken die de nucleaire community nooit eerder heeft kunnen toepassen in de laatste decennia.” Zo maakt AM het bijvoorbeeld mogelijk om sensoren in de reactor te integreren; de analyse van de data die de sensoren verzamelen zorgt voor een bijna autonoom draaiende centrale.  

Realtime validatie van printstuk 

De komende tijd gaan de onderzoekers het ontwerp verder verfijnen en het AM-proces opschalen en uitbouwen. Met name procesmonitoring zal veel aandacht krijgen, omdat men naar een realtime kwalificatie en certificatie van de onderdelen toe wil. Met kunstmatige intelligentie wil men de prestaties van de 3D geprinte onderdelen analyseren. Volgens Kurt Terrani openen de resultaten de deur naar snelle innovaties in de nucleaire industrie.  

3D geprinte kernreactor: goedkopere kernenergie

In 40 uur 3D print ORNL kern van de reactor 

Het hart van de kernreactor heeft een hexagonale structuur. Het 3D printen hiervan op een DED-installatie vergt ongeveer 40 uur. Daarbij worden temperaturen bereikt van meer dan 1400 graden C. ORNL heeft 77 jaar geleden de eerste kernreactor ontwikkeld en gebouwd. Dat was de eerste reactor in de wereld die continu energie opwekte. Tegen 2023 wil men de eerste reactor van het nieuwe type klaar hebben. De VS halen momenteel 20% van de elektriciteitsbehoefte uit kernenergie. Meer dan de helft van de kerncentrales zal de komende decennia worden stilgelegd omdat de licenties aflopen.  

Foto: de onderdelen voor de nieuwe kernreactor die ORNL heeft geprint (foto ORNL). Het gaat om een heel nieuw type, compacte reactor die een middelgrote stad van elektriciteit kan voorzien.