ORNL – быстрая и безопасная проверка 3D-печати в ядерных установках

Много лет Национальная лаборатория США в Ок-Ридже (ORNL) была одним из самых активных игроков в производстве добавок для ядерной энергетики. В 2020 году лаборатория попала в газеты из-за разработки первого прототипа ядерного реактора, напечатанного на 3D-принтере. С тех пор они печатали компоненты ядерных реакторов, а в 2022 г. их исследователи создали структуру глубокого обучения, которая позволяет им проверять эти компоненты, изготовленные с помощью добавок, с большей скоростью и точностью. В партнерстве с Национальной лабораторией штата Айдахо (INL) эти две лаборатории ускорили проверку напечатанных на 3D принтере ядерных компонентов, и теперь они расширяют свою деятельность на проверку ядерного топлива.

Решающим для исследования является эта структура глубокого обучения, созданная ORNL. Алгоритм программного обеспечения Simurgh проверяет наличие дефектов в деталях AM, что помогает им идентифицировать металлы для 3D-печати следующего поколения ядерных реакторов. Проверка новых материалов и методов производства компонентов ядерных реакторов может занять десятилетия, поэтому сотрудничество ускорит процесс.

Simurgh использует рентгеновскую компьютерную томографию, которая является разновидностью компьютерной томографии, чтобы проверить внутреннее качество 3D-печатных объектов, не повреждая их. Собирая серию рентгеновских изображений, можно обнаружить внутреннюю структуру напечатанной на 3D-принтере части, определить слабые места или опечатки. Как правило, сканирование одной и той же части под разными углами требует много времени и затрат.

Simurgh, однако, улучшает этот процесс, принимая реалистичные обучающие данные для обучения нейронной сети и используя симуляции на основе физики с автоматизированным дизайном для реконструкции более точных изображений с помощью меньшего количества КТ. Благодаря меньшему количеству сканирований компьютерной томографии, чем обычным методом, сканирование плотных материалов можно завершить в двенадцать раз быстрее в четыре раза большей возможностью обнаружения дефектов.

Первоначально технология была разработана для управления передовых материалов и технологий производства (AMMTO) Министерства энергетики (DOE) для использования с металлическими деталями, напечатанными на 3D. Но сейчас она расширяется в рамках программы Advanced Materials and Manufacturing Technologies (AMMT) в Управлении ядерной энергии Министерства энергетики. Используя материал в нескольких офисах, обе лаборатории получают пользу от Simurgh, создавая возможности для новых приложений.

Райан Дехофф, директор Демонстрационного завода DOE (MDF) в ORNL, пояснил: «Ядерная энергетика – это дорогая среда с чрезвычайно высокими стандартами точности, материалов и безопасности. Тот факт, что мы используем этот набор инструментов в ядерной сфере, говорит о качестве и надежности технологии».

INL решил ввести Simurgh, когда столкнулся с проблемой логистики. Лаборатория пыталась увязать дефекты с конкретными параметрами печати, но для этого им нужно было отсканировать более 30 образцов, чтобы распознать узоры. Каждое сканирование длилось 30 часов. Поэтому Билл Чуирацци, инструментарий и руководитель группы дифракции и изображения INL, проконсультировался с ORNL перед тем, как начать работу. Это заставило его лицензировать алгоритм ORNL, чтобы он мог собирать данные более эффективно. «Включая подготовку, теперь сканирование с помощью наших установок занимает около 15% времени, – сказал Чуирацци. "Мы можем сделать три сканирования за столько времени, сколько нам понадобилось для выполнения одного".

И на этом пример использования технологии не закончился. Чуирацци предположил, что технология может быть использована для другой федеральной программы, сосредоточенной на ядерном топливе. Лаборатория характеристики облученных материалов INL специализируется на сканировании радиоактивного ядерного топлива и материалов. Каждый раз, когда эти высокорадиоактивные материалы перемещаются через лабораторию, они требуют высоких мер предосторожности и защиты. Это заставляет исследователей откладывать исследования материалов, изъятых из ядерного реактора, чтобы разрешить радиоактивности достаточно рассеяться для безопасности лаборантов. Кроме того, излучение, накопленное при повторном сканировании, изнашивает детектор, ограничивая срок службы и точность изображения. Simurgh, разрешающий более короткие сканирования, означает меньшее влияние радиации на сканирование и меньшее ожидание, одновременно позволяя получить данные более высокого качества и более быструю обратную связь.

Согласно пресс-релизу ORNL, технология Simurgh имеет потенциал, чтобы помочь разработать и охарактеризовать конструкционные материалы и топливо для усовершенствованных или высокотемпературных газовых реакторов, реакторов из расплавленной соли и малых модульных реакторов. Одним из перспективных видов топлива для новых конструкций реакторов является трехструктурное топливо с изотропными частицами TRISO. Эти частицы состоят из крошечного топливного ядра, инкапсулированного в материал на основе углерода та керамики.

Сейчас команда INT обучает алгоритму проверки керамических оболочек облученных ядер такое топливо, как TRISO. Запустив программу Simurgh, они могут проверить вызванные облучением отеки, трещины и отделение наружных слоев. В будущем это можно будет использовать для тестирования облученных металлических компонентов, таких как 3D-печатные кронштейны, созданные МДФ.