Nukleárne elektrárne sa zásadne nezmenili už celé desiatky rokov. Zmeny, ktoré nastali v priebehu budovania nových a modernejších, boli len malé a nevýrazné. V laboratóriu v Tennessee však vznikol nápad, ako by mohla byť aj takáto jadrová elektráreň efektívnejšia a šetrnejšia pri využití dostupnejších kľúčových súčastí priamo z 3D tlačiarne. O téme informoval portál Wired.

Slnečná energia aj v noci. Šialený startup chce do vesmíru poslať gigantické zrkadlá

Vedci z národného laboratória v Oak Ridge prišli s nápadom, ako v praxi využiť jadro pre nukleárnu elektráreň vyrobené 3D tlačou a zlepšiť tým množstvo aspektov týchto komplexných stavieb a ich zariadení.

História jadrových elektrární sa začala písať ešte začiatkom 2. polovice minulého storočia, kedy bol v roku 1951 poprvýkrát v histórii spustený jadrový reaktor na výrobu elektrickej energie, ktorý pri svojej činnosti využíval rýchly množivý reaktor. Výkon takéhoto zariadenia však bol len 100 kW.

Prvá jadrová elektráreň bola postavená v Rusku a elektrickú energiu začala do siete dodávať v roku 1954. Jej výkon dosahoval 5 MW, pričom v jadre bol využitý grafit a voda pre chladenie. V zásade sa však svojim princípom činnosti jadrové elektrárne nezmenili ani v priebehu dekád.

Tragédie, ktoré mohli spôsobiť obrovskú katastrofu, sa stali pre mnohých expertov aj v tomto odbore výstražným prstom, aby s jadrovou energiou experimentovali opatrne. Aj preto je dnes stále pri výstavbe novej jadrovej elektrárne za potreby množstvo zdrojov a najmä financií, ktoré sa často vyšplhajú na stovky miliónov až miliardy eur.

Jadrové elektrárne sú extrémne drahá záležitosť. Zmeniť to môže 3D tlač

Budovanie takýchto komplexov pritom často brzdí aj špecifický postup pre schvaľovanie a certifikačný proces, ktorý musí byť vykonaný pre všetky systémy a zariadenia, komponenty a ďalšie súčastí určených pre využitie v jadrovej elektrárni.

Kurt Terrani z národného laboratória v Oak Ridge informoval aj o prípade, kedy obyčajná skrutka o hodnote niekoľko desiatok centov, stála pri výstavbe jadrovej elektrárne až 20 000 dolárov. Astronomickú cenu zapríčinilo práve zdĺhavé testovanie a certifikácia. Tieto procesy sa pritom môžu ťahať aj celé roky a stáť stovky miliónov.

Je to však práve Terrani a jeho tím, kto prišiel s novým riešením, ktoré by mohlo zmeniť proces výstavby takejto elektrárne a jej jadra. S využitím 3D tlače chcú vedci popohnať toto konzervatívne odvetvie vpred a priniesť doň moderné technológie, ktoré by pomohli k rýchlejšej a lacnejšej výstavbe jadra.

Miesto konvenčných metód a materiálov sa totiž pri svojom projekte spoliehajú na jadro z 3D tlače, ktoré je taktiež schopné poskytnúť v jadrovom systéme elektrárne požadované vlastnosti. Vedci svoju prácu zverejnili aj vo časopise The American Ceramic Society.

Samotná 3D tlač si pritom našla miesto v mnohých odvetviach priemyslu, kde sa využíva pri výrobe mnohých druhov komponentov, pričom inžinieri nie sú pri ich návrhu viac obmedzovaní geometrickými tvarmi vhodnými pre obrábanie materiálov bežnými výrobnými postupmi.

Vlastné navrhnuté jadro z 3D tlače by pritom tím vedcov chcel uplatniť v praxi pri prevádzke jadrovej elektrárne už do roku 2023, pričom by malo byť takéto riešenie schopné poskytnúť výkon 3 MW, ktorým by elektráreň dokázala pokryť spotrebu zhruba 1 000 priemerných domácností, informuje Futurism.

Nenechaj si ujsť
Úplne nový trik vedcov konečne stabilizuje fúznu reakciu vo fúznych reaktoroch

Prvé jadro z 3D tlačiarne je takmer pripravené do prevádzky

Vedci už dokončili finalizáciu návrhu jadra pre ich TCR (Transformational Challenge Reactor) reaktor, ktorý sa bude skladať aj z konvenčných komponentov a systémov, no bude využívať jadro vytlačené pomocou 3D tlače zo silikónového karbidu, ktorý sa pri prevádzke neroztaví. Spĺňa pritom aj náročné vlastnosti, ktorými musí odolať podmienkam v reaktore pri výrobe elektrickej energie, kedy teplota jadra môže dosahovať až takmer 649 °C.

Cylindrické jadro tvorí metalické striebro s nepravidelnými zostavami nukleárneho paliva v jeho centre. Práve v jadre reaktora sa odohráva to najdôležitejšie. Dochádza k štiepnej reakcii pri využití uránového paliva, pričom celý proces je prísne monitorovaný a kontrolovaný mnohými systémami.

V bežných jadrových elektrárňach je však nutné dohliadať na dianie v reaktore „zvonka“, avšak s využitím komponentov z 3D tlače bude možné do reaktora implementovať aj senzory, ktoré budú schopné snímať dianie priamo v centre.

Budú budúcnosťou jadrových elektrární systémy z 3D tlačiarní?

Celé takéto jadro zo spomínaného laboratória pritom nie je vyššie ako 0,5 m a využitie nájde v reaktore o veľkosti sudu piva. Napriek malým rozmerom však bude schopné poskytnúť dostatočný výkon. Navyše, 3D tlač umožní využiť aj komplexnejšie chladiace systémy s netradičnými tvarmi, ktoré môžu ešte efektívnejšie chladiť reaktor počas procesu štiepenia.

Jednotlivé časti takéhoto jadra môžu byť vytlačené už za 8 až 24 hodín a stoja len zlomok toho, koľko by stáli bežné komponenty určené pre jadrové elektrárne. 3D tlač tak môže zásadným spôsobom zlepšiť, zefektívniť a urýchliť tento proces a výstavbu samotných elektrární.

Počas procesu tlačenia však bude potrebná prísna kontrola a monitorovanie pre prípad vzniku možných defektov pri výrobe jednotlivých súčiastok.

Aj malá, nepatrná chyba by totiž mohla spôsobiť obrovské problémy. Tento jadrový priemysel sa tak môže s využitím nových technológií posunúť opäť o krok vpred a stať sa konečne omnoho modernejším.