La stampa 3D produce da alcuni anni parti per impianti nucleari. Siemens nel 2017, ha raggiunto la svolta del settore con la prima installazione commerciale di successo e la continuazione del funzionamento sicuro di una parte stampata in 3D in una centrale nucleare. Considerati i severi requisiti di sicurezza e affidabilità nel settore nucleare, si è trattato di un risultato sorprendente perché i componenti utilizzati dalle centrali nucleari devono essere robusti, affidabili, resistenti alle alte temperature e passare attraverso più vincoli normativi e controlli di qualità di qualsiasi altro settore.
La stampa 3D, nota anche come fabbricazione additiva, è una tecnica innovativa che semplifica il processo di produzione passando direttamente dai modelli 3D alle parti reali. La produzione additiva riduce i costi, migliora la qualità e la flessibilità di progettazione ed elimina i limiti della produzione convenzionale. La progettazione e la stampa 3D offre opzioni di qualità e di risparmio economico, soprattutto per la produzione di pezzi di ricambio, oltre a creare prototipi che di solito richiedono un costo enorme per la creazione di nuove linee di produzione. I cambiamenti nella stampa 3D sono solo piccole modifiche di programmazione.
La produzione additiva è fondamentale per ottenere un’industria energetica senza emissioni di carbonio, compreso il nucleare. GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) è stato un importante pioniere in questo settore, è in grado di irradiare pezzi stampati in 3D per testarli e confrontarli con pezzi tradizionali in tutta una serie di condizioni. Utilizzeranno la stampa 3D per ridurre al minimo gli scarti e i tempi di produzione del 90%.
La stampa 3D è nota per la creazione di modelli in scala e altre novità, e per le più inquietanti pistole. È anche possibile avere una stampante 3D a casa. La tecnologia è stata pioniera negli anni ’80, negli ultimi 10 anni ha creato una rivoluzione nella produzione di quasi tutto. Oggi possiamo stampare non solo con plastica e gomma, ma anche con i metalli e altro materiale per diversi compositi ad alta tecnologia, quindi non sorprende che una tale innovazione possa trovare la sua strada nell’industria nucleare. L’applicazione più promettente è lo sviluppo di microreattori, sono reattori nucleari molto piccoli, tipicamente meno di 10 megawatt e che possono essere montati sul retro di un rimorchio di un trattore.
Oak Ridge National Laboratory (Ornl) gestito dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti in collaborazione con il Disruptive Technology Lab della US Navy, utilizzando compositi in fibra di carbonio ha realizzato per la Marina il primo scafo sommergibile stampato in 3D, ha le stesse dimensioni di un microreattore (vedi video).
Lo scafo sommergibile tradizionale costa tra i 600.000 e gli 800.000 dollari, richiede diversi mesi per la fabbricazione, lo scafo stampato in 3D è stato realizzato per meno di 100.000 dollari e ha richiesto alcune settimane: un risparmio di dieci volte in termini di costi e tempi, e i cambiamenti tra una stampa e l’altra sono facili, quindi non ci vuole una produzione imponente per ottenere i tradizionali risparmi di scala (si verifica quando il costo unitario medio diminuisce all’aumentare del volume di produzione).
I componenti interni di un microreattore possono essere complessi, l’industria aerospaziale ha esperienza nella stampa 3D di componenti di motori a reazione complicati, realizzabili in meno tempo e per costi inferiori rispetto ai metodi convenzionali. La sostituzione di pezzi fuori produzione rappresenta una sfida per gli impianti nucleari, le stampanti 3D potrebbero essere utilizzate per produrre pezzi di ricambio.
La parte di gran lunga più bella sarebbe la stampa 3D del nucleo di un reattore nucleare. Ed è proprio quello che stanno facendo i ricercatori della Oak Ridge National Laboratory (Ornl). La stampa di un nucleo riducendo i costi e i tempi di costruzione degli impianti di nuova generazione, sarebbe un campanello d’allarme per l’industria nucleare degli Stati Uniti.
Thomas Zacharia direttore della Oak Ridge National Laboratory (Ornl), ha detto: «L’industria nucleare è ancora costretta a pensare al modo in cui progettiamo, costruiamo e utilizziamo la tecnologia dell’energia nucleare».
Le parti stampate in 3D sono già entrate nelle centrali nucleari, i reattori di prova avanzati utilizzano la stampa 3D per produrre capsule di prova. La Westinghouse Electric Company ha installato con successo un dispositivo di collegamento del ditale stampato in 3D: la chiusura del ditale è utilizzata per trattenere il combustibile nucleare mentre viene abbassato nel nocciolo del reattore e impedire la fuoriuscita di detriti nucleari. È stato installato nell’Unità 1 della Byron Nuclear Generating Station di Exelon nell’Illinois durante l’interruzione del rifornimento di carburante di questa primavera.
Ken Petersen, vice presidente dei combustibili nucleari di Exelon Generation, ha detto:
«La produzione additiva è una nuova ed entusiasmante soluzione per l’industria nucleare. Il metodo semplificato aiuta a soddisfare l’esigenza dell’industria per un’ampia varietà di componenti dell’impianto a basso volume e ad alta criticità. Siamo orgogliosi di avere Westinghouse come partner in questa pietra miliare del settore e di contribuire a dimostrare ulteriormente la fattibilità di questa tecnologia».
Westinghouse prevede di diventare la prima azienda a installare un componente stampato in 3D per un elemento di combustibile nucleare in un reattore nucleare commerciale, riducendo il prezzo e accelerando la quantificazione dei materiali e dei componenti stampati in 3D.
L’azienda utilizza già la stampa 3D per realizzare stampi, supporti e alloggiamenti per cuscinetti per motori elettrici. I componenti più grandi, come i recipienti a pressione per i piccoli reattori modulari, potrebbero utilizzare metodi avanzati, tra cui la stampa 3D, la pressatura isostatica a caldo della metallurgia delle polveri (pressatura della polvere metallica in forme solide) e la saldatura a fascio elettronico (saldatura a livello molecolare). Tutti questi metodi riducono i costi e i tempi di produzione. Il recente rapporto della NEI sulla produzione avanzata ha rilevato che esistono 16 metodi di maggior interesse per l’industria nucleare.
Le società svedesi di stampa 3D Additive Composite e Add North 3D, insieme all’Università di Uppsala, hanno sviluppato e rilasciato un nuovo filamento composito di carburo di boro adatto per applicazioni di radioprotezione. Il materiale, disponibile con il nome Addbor N25, è composto da carburo di boro e una matrice di poliammide.
Il carburo di boro è uno dei materiali più duri conosciuti, di conseguenza è utilizzato per molte applicazioni estreme, come armature di carro armato e giubbotti antiproiettile. Il materiale per il suo elevato assorbimento di neutroni è adatto anche per applicazioni in radioprotezione nucleare.
Il nucleare come tutte le altre industrie sta andando avanti con nuovi processi come la stampa 3D, nuovi materiali e nuove applicazioni. Vedere in pochi decenni un microreattore ampiamente stampato che supporta una colonia realizzata su Marte sarà solo l’inizio.
