ORNL - швидка та безпечна перевірка 3D-друку в ядерних установках

Протягом багатьох років Національна лабораторія США в Ок-Ріджі (ORNL) була одним із найактивніших гравців у виробництві добавок для ядерної енергетики. У 2020 році лабораторія потрапила в газети через розробку першого прототипу ядерного реактора, надрукованого на 3D-принтері. Відтоді вони друкували компоненти ядерних реакторів, а в 2022 році їхні дослідники створили структуру глибокого навчання, яка дозволяє їм перевіряти ці компоненти, виготовлені за допомогою добавок, з більшою швидкістю та точністю. У партнерстві з Національною лабораторією штату Айдахо (INL) ці дві лабораторії прискорили перевірку надрукованих на 3D-принтері ядерних компонентів, і тепер вони розширюють свою діяльність на перевірку ядерного палива.

Вирішальним для цього дослідження є ця структура глибокого навчання, створена ORNL. Алгоритм програмного забезпечення під назвою Simurgh перевіряє наявність дефектів у деталях AM, що допомагає їм ідентифікувати метали для 3D-друку наступного покоління ядерних реакторів. Перевірка нових матеріалів і методів виробництва компонентів ядерних реакторів може зайняти десятиліття, тому співпраця прискорить процес.

Simurgh використовує рентгенівську комп’ютерну томографію, яка є різновидом комп’ютерної томографії, щоб перевірити внутрішню якість 3D-друкованих об’єктів, не пошкоджуючи їх. Збираючи серію рентгенівських зображень, можна виявити внутрішню структуру надрукованої на 3D-принтері частини, визначити слабкі місця або помилки друку. Як правило, сканування однієї й тієї самої частини під різними кутами вимагає багато часу та витрат.

Simurgh, однак, покращує цей процес, беручи реалістичні навчальні дані для навчання нейронної мережі та використовуючи симуляції на основі фізики з автоматизованим дизайном для реконструкції більш точних зображень за допомогою меншої кількості КТ. Завдяки меншій кількості сканувань комп’ютерної томографії, ніж звичайним методом, сканування щільних матеріалів можна завершити в дванадцять разів швидше з учетверо більшою можливістю виявлення дефектів.

Спочатку технологія була розроблена для Управління передових матеріалів і технологій виробництва (AMMTO) Міністерства енергетики (DOE) для використання з металевими деталями, надрукованими на 3D. Але зараз вона розширюється в рамках програми Advanced Materials and Manufacturing Technologies (AMMT) в Управлінні ядерної енергії Міністерства енергетики. Використовуючи матеріал у кількох офісах, обидві лабораторії отримують користь від Simurgh, створюючи можливості для нових застосувань.

Райан Дехофф, директор Демонстраційного заводу DOE (MDF) в ORNL, пояснив: «Ядерна енергетика — це дороге середовище з надзвичайно високими стандартами точності, матеріалів і безпеки. Той факт, що ми використовуємо цей набір інструментів у ядерній сфері, говорить про якість і надійність технології».

INL вирішив запровадити Simurgh, коли зіткнувся з проблемою логістики. Лабораторія намагалася пов’язати дефекти з конкретними параметрами друку, але для цього їм потрібно було відсканувати понад 30 зразків, щоб розпізнати візерунки. Кожне сканування тривало 30 годин. Тому Білл Чуірацці, інструментарій і керівник групи дифракції та зображення INL, проконсультувався з ORNL перед тим, як розпочати роботу. Це змусило його ліцензувати алгоритм ORNL, щоб він міг збирати дані більш ефективно. «Включаючи підготовку, тепер сканування за допомогою наших установок займає близько 15% часу, — сказав Чуірацці. «Ми можемо зробити три сканування за стільки часу, скільки нам знадобилося для виконання одного».

І на цьому приклад використання технології не закінчився. Чуірацці передбачив, що технологія може бути використана для іншої федеральної програми, зосередженої на ядерному паливі. Лабораторія характеристики опромінених матеріалів INL спеціалізується на скануванні радіоактивного ядерного палива та матеріалів. Щоразу, коли ці високорадіоактивні матеріали переміщуються через лабораторію, вони вимагають високих заходів обережності та захисту. Це змушує дослідників відкладати дослідження матеріалів, вилучених з ядерного реактора, щоб дозволити радіоактивності достатньо розсіятися для безпеки лаборантів. Крім того, випромінювання, накопичене під час повторних сканувань, зношує детектор, обмежуючи термін його служби та точність зображення. Simurgh, який дозволяє коротші сканування, означає менший вплив радіації на сканування та менше очікування, водночас дозволяючи отримати дані вищої якості та швидший зворотний зв’язок.

Згідно з прес-релізом ORNL, технологія Simurgh має потенціал, щоб допомогти розробити та охарактеризувати конструкційні матеріали та паливо для вдосконалених або високотемпературних газових реакторів, реакторів з розплавленої солі та малих модульних реакторів. Одним із найперспективніших видів палива для нових конструкцій реакторів є триструктурне паливо із ізотропними частинками TRISO. Ці частинки складаються з крихітного паливного ядра, інкапсульованого в матеріал на основі вуглецю та кераміки.

Зараз команда INT навчає алгоритм перевірки керамічних оболонок опромінених ядер таке паливо, як TRISO. Запустивши програму Simurgh, вони можуть перевірити спричинені опроміненням набряки, тріщини та відділення зовнішніх шарів. У майбутньому це можна буде використовувати для тестування опромінених металевих компонентів, таких як 3D-друковані паливні кронштейни, створені МДФ.