AM torna-se nuclear: USNC sobre como está usando a impressão 3D para produzir seu combustível FCM

Aug 06, 2023

"Nossa missão é energia confiável em qualquer lugar", começa o Dr. Kurt Terrani.

O ex-Diretor Técnico Nacional daLaboratório Nacional de Oak Ridge(ORNL) fala comTCTem seu último cargo como Diretor na Seattle-basedCorporação Nuclear Ultra Segura (USCN). Ele acredita que o USNC está na 'borda sangrenta' do combustível nuclear e do projeto do reator, com a disponibilidade comercial do combustível totalmente cerâmico microencapsulado (FCM) definido para representar um 'momento divisor de águas na produção de energia de carbono zero' nos EUA e além .

Apoiar a ambição da empresa éExOne's tecnologia de jateamento de ligantes, que facilita uma etapa fundamental na fabricação do combustível FCM da UNSC. USNC está trabalhando com duas proposições de valor. O primeiro são os projetos de reatores nucleares que, desde que a gravidade esteja presente e o fluido quente suba para o topo enquanto o fluido frio vá para o fundo, são inerentemente seguros. E a segunda é a forma de combustível FCM que traz múltiplas barreiras à liberação de radionuclídeos, garantindo assim a segurança nuclear.

A FCM vê o combustível TRISO padrão da indústria, que contém os subprodutos radioativos da fissão dentro de revestimentos cerâmicos em camadas, encapsulados em uma matriz de carboneto totalmente densa. Terrani explica: "Todo o jogo é manter a radiação dentro do núcleo do reator nuclear. Em alguns dos projetos [convencionais], eles constroem grandes vasos e grandes cúpulas de contenção de concreto [mas] essas pessoas decidiram há muito tempo quando passar esse fardo para o próprio combustível, então eles fizeram pequenas partículas de combustível - cerca de um milímetro de diâmetro - e colocaram várias camadas de revestimento cerâmico ao redor delas."

Historicamente, as partículas de combustível podem ser colocadas em uma cola de carbono que mantém pequenos vasos de pressão juntos, mas isso não é considerado para fornecer 'muitos benefícios na liberação de radionuclídeos'. Mitigar essa liberação é o objetivo do USNC e, para isso, procurou colocar partículas de combustível em invólucros de carboneto de silício, que são mecanicamente, termicamente e ambientalmente estáveis. Anteriormente, era um desafio fabricar carboneto de silício de alta pureza, mas a manufatura aditiva é considerada a tecnologia que está facilitando a transição na USNC.

"O padrão-ouro é sinterizar o material em temperaturas muito altas - acima de 2.000°C - ou fazer esse processo chamado de deposição química de vapor, [que é] extremamente caro", diz Terrani. "Então você obtém grandes pedaços de material que precisa usinar. Esse é outro desafio [porque] a única coisa que pode cortar carboneto de silício é o diamante, então você entra nesse jogo de material extremamente caro, usinagem extremamente cara. Qualquer um que pareça com isso, eventualmente, decide ir embora. Bem, não poderíamos ir embora. Carboneto de silício é um material que precisamos em nossa proposta de valor."

A impressão 3D Binder Jet é a solução aqui devido à sua capacidade de processar materiais à temperatura ambiente – o carboneto de silício começaria a se dissociar em temperaturas mais altas, portanto, os processos que usam um feixe de elétrons ou laser podem ser descartados.

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"Usamos o jato de ligante para formar carboneto de silício em estruturas extremamente complexas e o que é único nessa técnica é que ela oferece total liberdade 3D", continua Terrani. "Muitas vezes com o aditivo, há um certo espaço onde você pode fazer peças, mas com o jato de ligante, qualquer tipo de geometria é possível. Então, então, pegamos esse carboneto de silício, altamente poroso, e levamos para outro processo chamado infiltração de vapor químico. Temos um corpo que é feito [de] partículas de carboneto de silício coladas umas às outras. Escolhemos carboneto de silício muito puro e altamente cristalino - porque é isso que queremos para nossa aplicação - e então a pequena quantidade de aglutinante desaparece à medida que você aquece. Então, você deposita mais carboneto de silício nos poros por meio de infiltração de vapor químico."