Tisk součástek pro jaderné reaktory z extrémně odolné keramiky by mohl umožnit stavbu spolehlivějších a v důsledku levnějších jaderných zařízení.
Pokroky v technologii 3D tisku, především kovů a špičkových kompozitních materiálů, vedl 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. Dobrý příkladem může být medicína, nebo třeba letectví.
Kupříkladu výrobce leteckých motorů GE Aviation Czech takto při výrobě prvního prototypu nového motoru Catalyst, určeného pro malá korporátní letadla se například chlubí, že díky této technologii šetří díly i čas na vývoj.
Díky 3D tisku je dnes možné vyvíjet a následně vyrábět mnohem komplexnější díly s tvary – a tedy i funkcemi – které dříve prostě vyrobit nešly. „Z padesáti dílů, které bychom například v případě odlévání tvořili zvlášť, zvládneme vytisknout celek,“ řekl nedávno pro Hospodářské noviny šéf GE Aviaton Czech Milan Šlapák.
Díky tomu podle něj nový motor firmy (Catalyst pro malé trysková letadla) místo zhruba 2800 součástek, které měla předchozí generace, obsahuje pouze necelé dva tisíce díly. Podle Šlapáka se podařilo totiž 855 původních dílů nahradit 12 prvky, které byly vyrobeny aditivní technologií – tedy 3D tiskem.
3D tisk se také postupně přesouvá do další oblasti, ve které jsou důležitější věci než nějaké peníze za cenu jednoho dílu: do nitra jaderných elektráren. Mohl by být jednou z klíčových technologii pro výrobu malých a bezpečných jaderných reaktorů nové generace. Nejnovější příklad toho, jak by 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, která je mnohem odolnější vůči radiaci a extrémním teplotám, což jí umožní urychlit vývoj bezpečných a cenově dostupných reaktorů příští generace.
„Mladá“ firma, která sídlí v americkém Seattlu, vyvíjí mimo jiné i kompaktní reaktor pro rakety s jaderným pohonem, jejím hlavním produktem ale 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 bude stát, či nikoliv, základem designu USNC je v podobě pelet. Ty obsahují drobné částečky uranového paliva v keramickém obalu, kterou jsou pak všechny uzavřeny v matrici z karbidu křemíku (karborundum, vzorec SiC, tedy sloučenina pouze uhlíku a křemíku).
Karbid křemíku je velmi tvrdý materiál, který se díky tomu používá i jako brusný materiál, někdy jako lacinější a poněkud méně výkonná náhrada diamantu. Místo našel třeba i v moderních kompozitních pancířích.
Jeho hlavní výhodou je právě odolnost i v podmínkách tak extrémních, jako v aktivní zóně jaderného reaktoru. Je tedy považován za vhodnou náhradu se o něm tedy již delší dobu jako náhrada za zirkonové slitiny, které slouží jako materiál obalu jaderného paliva. (Palivo má podobu malých pelet, které se dávají do tenkých trubek, palivových proutků, vyrobených právě se slitin zirkonu. Proutky se pak skládají do kazet, kterým se říká i soubory nebo články.)
Karbid křemíku nemá ovšem jen výhody. Ne zcela příznivě ovlivňuje tok neutronů v reaktoru, ale to lze kompenzovat například využitím dalších 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 kombinuje využití speciálního pojiva as výrobním procesem samotného karbidu pro toto použití. 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 jak levnější než výroba podobných dílů dnes běžnými postupy, přitom z materiálu, který v prostředí reaktoru má být trvanlivý a spolehlivý. Navíc by mělo být možné navrhovat a vyrábět nové díly, jaké dříve jednoduše nebylo možné vytvořit.
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, které využívají 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, nové materiály v reaktorech nemohou být 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 hotovo. Ještě v Oak se nové 3D tištěné materiály rozsáhle testovaly mimo jaderné reaktory i v nich.
Výhodou je, že 3D tisk totiž není v jaderném průmyslu žádnou novinkou. Jako první prakticky využila 3D vytištěný díl v jaderné elektrárně společnost Siemens v roce 2017. Byla to drobnost – malý kovový díl pro protipožární vodní čerpadlo používané v elektrárně ve Slovinsku – ale zároveň šlo o důležitý první krok k zavedení těchto technologií do praxe ve větším měřítku.
Od té doby další firmy umisťují do komerčních reaktorů stále více a větších dílů z 3D „tiskáren“. 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 vytištěné ve 3D tiskárně právě v laboratořích Oak Ridge.
Laboratoř ale míří podstatně výš. Hodlá vybudovat reaktor s aktivní zónou kompletně vyrobenou aditivními metodami. Demonstrační jednotka, který vzniká v rámci programu Transformational Challenge (možná „Výzva pro zásadní změnu“) má být uvedena do provozu do roku 2024. V článku citovaní viceprezident USNC Terrani byl mimochodem bývalým technickým ředitelem tohoto projektu.
USNC plánuje využít kno-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 impulse pro 3D tisk v jaderné energetice.
Malé reaktory za menší peníze
USNC vyrábí malé modulární reaktory, které se označují často anglickou zkratkou SMR (od „small modular reactor“). To by měly být reaktory s výkony maximálně řádově v nižších stovkách megawattů (MW), které se na rozdíl od dnešních obřích systémů mají „skládat“ z především připravených dílů (modulů, odtud modulární). Tyto „díly“ by neměly být tak veliké, aby jejich doprava na místo byla přehnaně náročné.
Díky kvazisériovému způsobu produkce by měla být celá stavba o něco levnější než u velkých reaktorů, které se dnes často vyrábí vysloveně kusově. Místo stovek miliard korun za blok by mohla cena klesnout možná na desítky, v některých případech údajně až na jednotky miliard.
To je veliký rozdíl, protože cenu velkých atomových elektráren do značné míry určuje, kolik investor zaplatí na úrocích z peněz, které si na stavbu musel půjčit. Proto dnes velké jaderné elektrárny na běžném komerčním finančním trhu nemají prakticky šanci – objem půjčených peněz by musel být tak veliký, že splácení úvěru se extrémně protáhne a prodraží.
Malé reaktory se “papírově” v posledních letech těší stále větší pozornosti. Mezinárodní agentura pro atomovou energii ke konci roku 2020 registrovala 70 konkrétních návrhů malých modulárních reaktorů. Nejdále v jejich vývoji pokročily firmy z jaderných mocností, jejichž vlády pokrok v oblasti jaderných technologií různými způsoby přímo podporují. Týká se to USA, Ruska, Číny, Francie i Velké Británie. Technologie SMR vyvíjí rovněž Kanada, Jižní Korea, Indonésie, Argentina a Saudská Arábie.
V dubnu 2021 schválila první projekt SMR o výkonu 125 MW například čínská vláda. Modul, který vychází z domácí technologie ACP 1000 má být v jaderné elektrárně Čchang-ťiang v provincii Chaj-nan uveden do provozu dokonce už v roce 2026.
Rusko má jako tradičně velké ambice, ale slabší reálné výkony. Ovšem v oblasti malých reaktorů si nevede tak špatně. Na konci roku 2019 připojilo k síti plovoucí jadernou elektrárnu Akademik Lomonosov se dvěma reaktory s celkovým výkonem 70 MW. Prakticky všichni ostatní o podobných zdrojů zatím jen mluví.
Situace se ale snad pomalu mění. A to i na Západě, který se aktivně snaží omezovat emise oxidu uhličitého, přitom mu však stále chybí spolehlivý a předvídatelný bezemisní zdroj.
Na jaře roku 2020 udělilo ministerstvo energetiky USA kalifornské společnosti Oklo povolení k zahájení testů rychlého neutronového mikroreaktoru Aurora s výkonem 1,5 MW. V srpnu 2020 se SMR další americké firmy NuScale Power stal prvním a zatím jediným projektem tohoto druhu na světě, který obdržel osvědčení národního úřadu pro jadernou bezpečnost, že splňuje všechny jeho bezpečnostní požadavky. NuScale Power předpokládá, že první elektrárnu složenou z dvanácti samostatných modulů, z nichž každý bude mít výkon 77 MW, spustí v Idahu v roce 2027.
Na vývoji SMR pracuje také české Centrum výzkumu Řež, které je součástí skupiny ČEZ. V lednu 2020 získal jeho projekt malého modulárního reaktoru s označením Energy Well patent Úřadu průmyslového vlastnictví a nyní probíhá příprava na výstavbu experimentální jednotky. Cesta k případné realizaci bude ovšem ještě velmi dlouhá, a jiné společnosti a subjekty mají veliký náskok.
