製造と原子力規制の出会い
先進的な原子力炉は逆説に直面しています：今日開発されているデザインは、既存の軽水炉よりも安全で、より効率的で、より柔軟であることを意図していますが、その建設を管理する規制上の道筋は、前世代の製造方法のために書かれました。コードが書かれた時点では利用不可能または実用的でなかった材料は、現在高い精度で製造可能ですが、標準化プロセスを通じて正式な承認を受けるまで、原子力成分で合法的に使用することはできません。これには多くの年がかかります。
アルゴンヌ国立研究所はそのギャップを埋めるために取り組んでいます。アルゴンヌの研究者は、American Society of Mechanical EngineersにCode Caseのドラフトを提出しました。これにより、Laser Powder Bed Fusion（高精度の付加製造技術）を高温原子力炉応用に使用される部品に使用できるようになります。承認された場合、コードの変更により、従来の機械加工方法では効率的に達成できない幾何学的複雑さと材料特性を備えた原子力グレードの部品を製造できるようになります。
Laser Powder Bed Fusionが提供するもの
Laser Powder Bed Fusionは、利用可能な最も有能な金属3Dプリンティングプロセスの1つです。高出力レーザーが金属粉をレイヤーごとにレイヤーで選択的に融合させ、フィーチャ解像度はミリメートルの端数で測定され、複雑な内部幾何学的形状、最適化された冷却チャネル、および固体在庫から機械加工するには不実用的または不可能なカスタマイズされた材料組成を備えた部品を製造します。原子力炉コンポーネントの場合、これは直接的に設計の自由につながります。エンジニアは以前これを活用できませんでした。
高温と中性子束に晒される炉コンポーネントには、正確な微細構造特性を持つ材料が必要です。従来の製造は、簡単な幾何学的形状でそれらの特性を達成するために、慎重に制御された熱処理と機械加工のシーケンスに依存しています。LPBFは、レーザーパラメータを通じて各堆積層の熱履歴を制御することにより、複雑な形状で同等または優れた微細構造を生成できます。結果として、従来の製造品質と同等またはそれを超える部品ですが、熱性能を改善し、重量を削減し、アセンブリを簡素化するジオメトリを有効にします。
ASMEコードケースプロセス
ASMEボイラーおよび圧力容器コードは、米国の原子力施設の圧力軸受装置の権威あるテクニカルスタンダードです。原子力安全関連コンポーネントで使用される材料とプロセスは、ライセンスされた施設に組み込まれる前に、明示的なコードケース承認が必要です。その承認を得るには、材料特性、製造プロセス制御、および非破壊検査方法に関する技術データを、新しいコードケースをレビューおよび投票するASMEコミッティに提出する必要があります。
アルゴンヌのCode Caseドラフト提出は、LPBFのこのプロセスの正式な開始です。チームは、先進炉の運用に関連する温度範囲にわたるLPBF製のステンレス鋼およびニッケル合金サンプルの機械的特性に関するデータを集めており、それらの特性が原子力サービスに必要な最小値を満たす以上であることを実証しています。
サプライチェーンと設計への影響
原子力産業の専門部品のサプライチェーンは特に制約があります。原子力グレードの鍛造品、鋳造品、および機械加工コンポーネントを製造することができる製造業者の宇宙は小さく、それらの適格プロセスは長く、重要な部品の納期は年で測定されます。このサプライチェーンのボトルネックは、先進的な原子炉プロジェクトを建設できるペースを制限する要因として繰り返し特定されています。
LPBF製造は、従来の原子力成分製造と同じ専門の鋳造所インフラストラクチャを必要としません。製造業者が特定のLPBFプロセスと装置のコードケース承認を受け取ると、より簡単な部品は数週間ではなく数週間で測定され、複雑なコンポーネントは多くの年ではなく数ヶ月で測定される納期で革新的な炉コンポーネントを製造できます。
先進的な炉のタイムラインプレッシャー
アルゴンヌのコードケース押しのタイミングは、先進炉の展開に関する高まる緊急性を反映しています。リモートロケーション、溶融塩デザイン、高温ガス炉向けのマイクロリアクターを含む数十の先進炉デザインは、NRCレビュープロセスを進めており、いくつかは今後数年以内に建設許可を取得することを期待しています。これらの各デザインには、認定コンポーネントのサプライチェーンが必要です。LPBFが承認された製造方法として存在しないことは、設計の柔軟性に対する制約となっています。
コードケースが通常のスケジュールでASMEレビューを通じて進行する場合、承認は2〜3年以内に到着する可能性があります。これは、最も先進的な次世代プロジェクトの建設タイムラインと一致し、現在の世代の炉設計には存在しなかった製造オプションを提供しています。
この記事はInteresting Engineeringによるレポートに基づいています。元の記事を読む。
Originally published on interestingengineering.com