שימוש ב- 3D הדפסה ב- Customizing גרעיני Instrumentation Components

מבוא: פוטנציאל חלופי של ייצור אדקטיבית ב Instrumentation גרעינית

תעשיית הגרעין דורשת רכיבים העומדים בסטנדרטים יוצאי דופן של אמינות, דיוק ובטיחות.במשך עשרות שנים, שיטות ייצור תת-תחומיות מסורתיות – מיפוי, הליהוק וההפצה – היו עמוד השדרה של ייצור חלקי כלי רכב.עם זאת, הופעת הדפסה תלת-ממדית מתקדמת, הידועה גם כייצור תוספים (AM), מעצבת מחדש את האופן שבו מרכיבים קריטיים אלה נועדו, אב-טיפוסיים, ומופיקים.

יתרונות הדפסה תלת-ממדית לחדירה גרעינית מותאמת

מהירות הפחתת מעגל הפיתוח וההפצה

בהרכב גרעיני, צינור העיצוב-לייצור יכול למתוח במשך חודשים או אפילו שנים בשל בדיקות הרהרטיביות ואישור רגולטורי הנדרש. 3D הדפסה באופן דרמטי דחוס ציר הזמן הזה.מהנדסים יכולים ליצור אבטיפוס פונקציונלי של דיור גלאי, החיישן, או קרינה מגן על ההתקנים בימים ולא שבועות.מהירות זו מאפשרת עיצוב זריז - ניתן לבחון, לשנות, ולחשוף מחדש ללא כלי הדבקה יקר, לדוגמה, לאבחון מהיר, לשיטות בדיקה מותאמות אישית.

מורכבות גיאומטרית ללא עלויות הפין

מאצ'ינג מסורתי מטיל מגבלות עיצוב: undercuts, ערוצים פנימיים, ומבנים liattice הם לעתים קרובות יקרים או בלתי אפשרי לייצר. 3D הדפסה, במיוחד היתוך שטוח אבקת ו stereolithography, מצטיין במרקם גיאומטים מורכבים אשר משפרים את הביצועים של כלי קירור עבור גלאי גבוה כוח - ייצור ממכר יכול לייצר נתיבי קירור מתאימים כי מעקב אחר קומפוזה מורכב, שיפור יכולת הגנה, 000, 000, 000, 000 דומה, 000 הגנה, 000 כוח הגנה, 000 כוח הגנה, 000 כוח הגנה, 000 כוח.

ייצור של On-Demand and Low-Volume

מתקנים גרעיניים דורשים לעתים קרובות כמויות קטנות של חלקים מיוחדים מאוד - שילוב של ציוד ישן, אחד-off מתאים עבור מתקנים ניסיוניים, או שדרוגים עבור כלי שיט אשר תוכנן לפני עשרות שנים. ייצור מסורתי הוא מותאם עבור כל כך נמוך כרכים פועל בשל עלויות ההתקנה גבוהות וכמויות מינימום הזמנה. 3D הדפסה מבטלת את המחסומים האלה. מהנדס יכול לשלוח קובץ דיגיטלי יקר לייצור, יש חלק זמין בתוך שעות ספורות, במיוחד אם זה יכול להיות יעיל יותר עבור ציוד דיגיטלי, או יותר.

יעילות וצמצום

חומרים בעלי ביצועים גבוהים, וקרמיקה - הם יקרים ולעתים קרובות דורשים בקרת שרשרת אספקה קפדנית.תהליכים תת-אקטיביים מסורתיים יכולים לבזבז 50-80% מהחומר כמו צ'יפס או הדפסה 3D הוא תהליך תוספת, בניית חלקי שכבת על ידי שכבה ושימוש רק בחומר הנדרש עבור האובייקט הסופי (בנוסף למבנים תמיכה).

חומרים להדפסה 3D בסביבה גרעינית

צילום: Steel Alloys

סביבת הקרינה הקשה בתוך כור גרעיני או מאיץ חלקיקים דורשת חומרים ששומרים על שלמות מבנית ויציבות ממדית תחת חשיפה ממושכת של נייטרון וגמא. ⁇ מתכת חלק הוכיחו מתאים להדפסה תלת מימדית בתנאים אלה:

• (FLT:0) פלדה ללא ספק (316L, 304Lue): FLT ( 1רחבי בשימוש עבור ההתנגדות קורוזיה מעולה שלה וסובלנות קרינה מתונה. 3D-rated 316L נבדקו בכורים מחקר ולהראות ביצועים מקובלים עבור יישומים של מינון נמוך עד בינוני. Post-מעבד טכניקות כמו חם isostatic (HIP) יכול לשפר עוד צפיפות ותכונות מכניות.
• (FLT:0) ⁇ טיטניום (Ti-6Al-4Vir): FLT:1 ערך עבור יחס גבוה במשקל ו ביו-גמישות, titanium משמש כלי רכב ברמה רפואית וכמה חיישןי דיור in-core.עם זאת, זה פחות עמיד הפעלה נויטרונים מאשר נירוסטה, הגבלת השימוש שלה באזורי זרם גבוה.
• (FLT:0) Inconel ו- Superalloys ניקל אחרים:Build:03: 1:1 ⁇ אלה מציעים כוח עתיר רוח יוצא דופן והתנגדות חמצון. Inconel 718 ו 625 מודפסים לעתים קרובות עבור רכיבים שחייבים לפעול מעל 500 מעלות צלזיוס, כגון thermocouple Sheaths או רכיבי החלפת חום במתקני הדגימה.
• (FLT:0) מתכות ריבוניות (Molybdenum, טנטלום): FLT:1 עבור תקופות ארוכות ותנאים עתירי גבוה, מתכות השבירה יכול להיות 3D מודפס באמצעות אלקטרון beam נמס.

« « רפורמות גבוהה פולימרים ו Composites

פולימרים מציעים יתרונות ב בידוד חשמלי, עלות וקלות הדפסה. עבור כלי גרעיני, הדרישה העיקרית היא התנגדות להידרדרות הנגרמת קרינה.חומרים כי צומת קישורים ולא scision תחת קרינת gamma מועדפים.

• (FLT:0)PEEK (החומרה של קטנוני): 1:1 זה הורמון ביצועים גבוהים הוא בשימוש נרחב ביישומים גרעיניים כי הוא שומר תכונות מכניות גם לאחר קליטת מאות קילו-מקודמות. 3D-הקודש PEEK רכיבים - כגון מדריכי כבל, חללי מחסנים, ומשחזרים - הם משקל, קשיח, וכימיה ב FEEKahed for aupation (King) עם ; pEESupation for auptionsupation, עם סביבת ייצור של ccupation, ו-FEEKing, ו-FEECupit (King, FFI) בוגר מספיק, עם , , , , הוא מספיק, עם , עם , עם ; הוא ; pEEKing; הוא ; pEEKing, עם ; הוא ; הוא בעל איכות של , עם , עם ; הוא ; הוא בעל איכות משולבת, עם סגסוגת של סגסוגת של מדפסות בצורת סגסוגת בצורת סגסוגת של מדפסות ו-FEEKEEKEEKing, עם סגסוגת של סגסוגת של סגסוגת דיהמת שומן (King, עם
• (FLT:0)PEI (polyetherimide, למשל, Ultem): אנדרט 1 קרינה נוספת עמידת קרינה, PEI משמש לעתים קרובות עבור חלקים הדורשים קשיחות גבוהה יותר וירידה של גזים מאשר PEEK. תכונות להבה שלה להוסיף שולי בטיחות נוספים בלוחות כלי.
• (FLT:0)Carbon-fiber-reinforced פולימרים (CFRP): ibph:1 על ידי שילוב סיבי פחמן קצרים לתוך ניילון או PEI matrix, 3D מודפס מורכב להשיג כוח מוגברת ונוקשות תוך צמצום ההתרחבות התרמית.

Ceramics ו- Cermets

Ceramics הם הכרחי בסביבות גרעיניות עבור בידוד חשמלי, תנומה נויטרונים, ויציבות עתירה גבוהה. ייצור אדקטיבית של קרמיקה הוא יותר מאתגר מאשר מתכות או פולימרים, אבל התקדמות מבטיחה נעשתה באמצעות מכווץ מכווץ ומטה photopolymerization של מזחלות קרמיקה.

• (FLT:0) Alumina (Al2O3): ההרחבה 1) Dense, רכיבי אלומיניום גבוהים יכולים להיות מודפס 3D עבור insulating Spacers, הזנות דרך שיחים, וחלונות מתאגרפים. Post-sintering מניבים ליד צפיפות תיאורטית, אך יש צורך לחשבוננות.
• (FLT:0) zirconia stabilized (YSZ): irveFLT:1 מציע קשיחות שבר גבוהה יותר מאשר אלומיניום ומשמש עבור רכיבים נתקלו זעזועים תרמיים, כגון קביים עבור מערכות ניתוח דגימות.
• (FLT:0 בורון קרביד (B4C) מורכב: 1FLT:1 עבור נייטרון מגן וקליטה, הדפסה 3D של פולימר מלא בורון או מרוקרים קרמיקה מאפשר יצירת לוחות מגן בצורת מורכבות שניתן לשלב ישירות לתוך אסיפות כלי.

יישום הדפסה תלת-ממדית ב Instrumentation גרעינית

דירות חוצות ו- Encapsulations

גלאי קרינה - כולל ניגודים של scintillation, גלאי מוליכים למחצה, ואת תאי ionization - לעתים קרובות דורשים דיור כי הם חתומה במטבולית, שקוף אופטית באורכי גל מסוימים, או משולבת מכנית עם ספירת עיבוד אותות אלקטרוניקה. 3D הדפסה מאפשר ייצור של הפיכה עם צינורות בנוי, צינורות קירור, ו הבוסים עליים כי יהיה עלות במחיר סביר כדי לנטרק תאים סרטניים, לדוגמה, כדי לנטרולטיביים של זמן הדפסה תלת-מפסת, יכול לשלב 3D.

קרינה מגן על עבריינים

מגן מסורתי נבנה לעתים קרובות מ בלוקים או סדינים של מוביל, בטון, או פוליאתילן. הדפסה 3D מאפשר עיצובים מגן ציון שבו חומרים שונים הם שכבת או מסודרים במערך מורכב כדי להתאים הגנה עבור סוגים קרינה ספציפיים (gamma, neutron, beta) מגן על הכניסות מותאם אישית עבור ראשי גלאי, משתנים, או תיקון בדיקות יכול להיות מודפס עם מחסומים פנימיים כדי להפחית ביצועים סבירים זהה במיוחד.

מערכות קירור עבור כוח גבוה

כלי נויטררון ורנטגן רנטגן מייצרים חום משמעותי כי יש למנוע סחף בתגובה גלאי או נזק לאלקטרוניקה. 3D הדפסה הדפסה לייצר ערוצי קירור תואמים הוא משתנה משחק עבור כיור חום מותאם אישית, צלחות קרות ומיקרו ערוצים קרירים. לדוגמה, הדמיה נויטרונים עם חיישן גדול CMOS יכול להיות זוג עם 3D מודפסת נחושת מחדש של חום או ממפה פנימית יותר של חיישן חום.

חלק מתחליפים להזדקנות

מתקנים גרעיניים רבים מפעילים מערכות כלי שיט שתוכננו ונבנו לפני עשרות שנים.כפי שיצרנים מקוריים עוצרים חלקים או יוצאים מהעסק, מחליפים ציוד פלסטיק שבור, גוף שסתום מותאם אישית, או שקע ייחודי מחלחל הופך יקר באופן בלתי חוקי. 3D הדפסה מציעה פתרון מעשי: החלק יכול להיות מהפך-Ficered מטמפרטורה שבורה או מדידה ידנית) ו מודפס בגירסת קרינה מודרנית, אך ניתן להחליף את הביצועים החומריים של חומר זה לא רק עם מכשיר מתכתי.

ניסויים וניסויי Instrumentation for Research Reactors

כורים מחקר ומתקני בדיקה הם קרקע פורייה להדפסה תלת מימדית בגלל הצורך הקבוע באבחון חדש ושקיות מותאמות אישית. מהנדסי Instrumentation יכולים לייצר במהירות מחזיקי דגימות, מערךי קולג', ואביזרים זרימה המותאמים לניסוי ספציפי.העלות הנמוכה של היסוס מאפשרת לצוותים לנסות עיצובים מרובים - לדוגמה, קבוצה של מספר רב של חומרים עבור מדרון נויטרונים יכול להיות מוקרן בתוך כמה גדלים ולהפחית את מרכזי כניסה.

אתגרים באימוץ הדפסה תלת מימדית לחדירה גרעינית

איכות והסמכת

אולי ההמולה הגדולה ביותר לאימוץ נרחב היא הסביבה הרגולטורית המיתרים. Components כי נופלים תחת קטגוריות בטיחות חייב להיות מוטבע באמצעות חומרים ותהליכים מוסמכים.עבור חלק 3D מודפס להיות מקובל, את החומר חייב להיות במעקב, הפרמטרים הדפסה חייב להיות מתועדות ולאמתה, והחלק הסופי חייב לעבור בדיקה לא הרסנית (NDE) כגון סריקה או בדיקה קולית (AM) עבור ארגונים מאובטחים עבור מסד נתונים אטומיים (MEAS) עם תמיכה ארגונית) באופן כללי) או ניהול נתונים (סוכנות אבטחה מסוג 3D) או טיפול תרופתית) או טיפול תרופתית (MEAS) עם 3D) עם אטומית (MEAS) עם אטומית (MEAS) עם 3D) עם אטומית) עם אטומית) עם 3D (I) עם 3D) עם 3D) עם בדיקה אטומית (I) עם אטומית (I) עם אטומית (סוכנות אבטחה (I) בדרך כלל 3D) עם ארגונים ללא טיפול תרופתית (סוכנות אבטחה מוגבלת (סוכנות אבטחה (I) או בדיקה אטומית) עם אטומית) עם אטומית) עם אטומית) עם טיפול ארגוני אבטחה מוגבלת (סוכנות אבטחה (MEAS) או בדיקה

קרינה-החינוך של חומרים מודפסים

בעוד פולימרים רבים ומתכות ידועים עמידות קרינה בצורות המאורגן הקונבנציונלי שלהם, זה לא נכון באופן אוטומטי עבור עמיתיהם המיוצרים תוספתי. מבנה דגנים, פורוזיות, ואת הלחץ השונה בחלק מתכת 3D מודפס שונה באופן משמעותי מ wrought או יציק גרסה. הבדלים אלה יכולים להאיץ נפיחות או גילוח קרינה מושרה באופן דומה, שכבת-שכבת-שכבת ב FFF-reme עשוי ליצור נקודות אבטחה איטיות יותר.

סליחות ו-Licensing Hurdles

גופי רגולציה גרעיניים, כגון ועדת הפיקוח הגרעינית של ארה"ב (NRC) ומקביליה ברחבי העולם, דורשים כי כל שינוי בכלי בטיחות הקשורים לבטיחות יהיה מוצדק באמצעות תהליך בקרת שינוי קפדני.הכיר חלקים מודפסים 3D לעתים קרובות גורם לתהליך זה, במיוחד אם הגיאומטריה או החומר שונים מהעיצוב המקורי.העדר סטנדרטים שנקבעו עבור AM ביישומים גרעיניים יקרים, כל שינוי חייב להיות מוצדק על בסיס של מסמכים מאובטחים, אשר ניתן להשתמש באפליקציות שאינן מבוססות על ידי NRC, החל ממסמכים, החל ממועדים, החל ממועדים, החל מ-EA.

איכות מובטחת ו In-Process Monitoring

בייצור מסורתי, איכות מובטחת באמצעות בקרת תהליכים מבוססים ובדיקה שלאחר תהליכים. ייצור אדרטיבי מציג משתנים חדשים: איכות אבקה, מצב להב חוזר, יציבות כוח לייזר, ואווירה קאמרית כל השפעה על החלק הסופי.ללא ניטור בזמן אמת, שכבה פגומים יכול להיקבר בתוך החלק ולהיכנס לטכניקות ניטור תהליכים - כגון הדמיה, בריכה תרמית, חיישנים חיישנים , אך הם עדיין לא מופעלים על ידי בטיחות סטנדרטית, אך אינם מספקים עקבות גרעיניים, אך ורק כדי להבטיח כלי אבטחה פתוחים.

אפשרויות לעתיד ומחקר מתמשך

קידום הדפסה רב-חומרית

מערכות הדפסה תלת מימדיות עתידיות יהיו מסוגלות להפקיד חומרים מרובים בתוך בניין יחיד - לדוגמה, דיור מתכתי בחוץ להגנה פולימרית מבפנים עבור בידוד חשמלי.זה יאפשר ייצור של רכיבים מדורגים כי הם אופטימיזציה עבור כל התפקוד שלהם, לא רק ממכונה ממניה אחת. מחקר לתוך חומרים ממושמעים פונקציונליים (FGMs) פעיל במספר מעבדות לאומיות, מוקדם הוכח עבור המעטפות גרעיניות.

ייצור הממציאים וההפצה

כמו פרוטוקולי אבטחת מידע ופרוטוקולים של יושרה, מתקני גרעין עשויים לאמץ ממציאים דיגיטליים של רכיבי כלי רכב קריטיים.קובץ חלק יכול להיות מאוחסן באופן מאובטח, וכאשר יש צורך, מודפס באופן מקומי - או בסדנה של המתקן עצמו או בספק חיצוני מוסמך.זה מקטין את הסיכון לשיבושי שרשרת האספקה ומאפשר פריסה מהירה יותר של שדרוגים או חלקי חילוף.

שילוב עם אינטליגנציה מלאכותית עבור אופטימיזציה של עיצוב

עיצוב יצירתי ואופטימיזציה טופולוגיה, המופעל על ידי אלגוריתמים AI, יכול ליצור באופן אוטומטי גיאוגרפית בעלת 3D, אשר לענות על מטרות ביצועים תוך צמצום משקל ושימוש חומרי. עבור כלי גרעיני, זה אומר כי גלאי תומך ברקט או קירור מאניפר יכול להיות מתוכנן לעמוד עומס סטטי ודינמי בעוד עם קרינה על פני שנים.

חיישנים קרינת-סובלנות נשמטים במהלך הדפסה

גבול מתפתח הוא ההטמעת חיישנים ישירות לתוך מרכיבים מודפסים תלת-ממדיים.לדוגמה, מד תרמו-ממדי או מד מתח יכול להיות ממוקם במהלך תהליך ההדפסה ו ⁇ בחלק.זה יוצר רכיבי מכשיר חכמים שיכולים לפקח על המצב שלהם - זמן, רטט, או קרינה - ולספק נתונים בזמן אמת עבור תחזוקה חיזוי.

מסקנה

הדפסה תלת מימדית כבר מדגים ערך משמעותי בהתאמה אישית של רכיבי כלי נשק גרעיניים, החל מזרז מהיר לייצור של חלקים מורכבים, נמוך כרכים שאינם מסוגלים לייצר באופן קונבנציונלי.היתרונות - תכנון חופש, יעילות חומרית, זמני מוביל מופחתים, וייצור על פי דרישה - טוב עם הצרכים הדוחקים של תשתיות גרעיניות מתפתחות וכלי מחקר מתפתח.

(ב) לקריאה נוספת, חקרו משאבים מה-FLT:0IAEA על פירוק גרעיני 1 (FLAC) ו-FLT:2U.S. NRC תוכנית הכור המתקדמת של NRC 3 עבור ההקשר על מסגרות רגולטוריות.בנוסף, FLT:4 מאמרים של החברה הגרעינית ב 3D הדפסה גרעינית:5 ו-FLT3R.