Sắp Xuất Hiện: Lò Phản Ứng Hạt Nhân - Với Lõi In 3D

Kurt Terrani mong muốn tăng tốc cho tương lai năng lượng hạt nhân - vì vậy anh đã quay về quá khứ của nó. Trong một năm và một nửa qua, Terrani và đội ngũ các nhà vật lý, kỹ sư, và nhà khoa học máy tính tại Oak Ridge National Lab ở Tennessee đã thiết kế và xây dựng các thành phần cho một lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí. Đây là một loại lò phản ứng gần như cổ điển như chính thời đại hạt nhân, nhưng người chia ngăn ngừa mới nhất của Oak Ridge lại mang một nét độc đáo của thế kỷ 21. Khi đi vào hoạt động vào năm 2023, nó sẽ là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới với lõi được in 3D.

“Chúng tôi đang cố gắng tìm cách xây dựng một hệ thống hạt nhân có hiệu suất xuất sắc một cách nhanh chóng,” nói Terrani, người làm nhiệm vụ kỹ thuật cho chương trình Reactor thách thức biến đổi của Oak Ridge. “Mục tiêu là thay đổi cơ bản cách chúng ta thực hiện năng lượng hạt nhân.”

Ngành công nghiệp hạt nhân nổi tiếng là rất bảo thủ và khó chịu đối với sự thay đổi, và Terrani than phiền rằng tất cả các lò phản ứng hạt nhân của Mỹ vẫn đang sử dụng công nghệ được mơ ước cách đây nửa thế kỷ. Tâm trạng “nếu nó không hỏng, đừng sửa” là một cách quản lý rủi ro và chi phí khổng lồ để xây dựng nhà máy hạt nhân mới, nhưng cũng đã đàn áp sự đổi mới trong ngành công nghiệp cung cấp hầu hết năng lượng không carbon của Mỹ. Lo lắng của Terrani là nếu ngành công nghiệp hạt nhân không chấp nhận công nghệ mới, nó sẽ sớm trở nên lạc hậu.

Điều này không có nghĩa là chúng ta nên bắt đầu xây dựng các nhà máy hạt nhân thử nghiệm mà không có sự cẩn trọng. Lý do ngành công nghiệp hạt nhân di chuyển rất chậm là vì giá của một sự tính toán sai lầm là rất lớn - các tai nạn ở Chernobyl và Fukushima là những thảm họa định hình thế hệ mà không ai muốn lặp lại. Nhưng sự tránh rủi ro không ngăn chặn các ngành công nghiệp khác nổi tiếng khó tính khỏi việc chấp nhận công nghệ mới. Hãy nhìn vào ngành hàng không, nơi các công ty hiện đang in 3D toàn bộ tên lửa, lái máy bay tự hạ cánh và bắt tên lửa trên tàu drone. Và dù sao, hầu hết các lò phản ứng tiên tiến được phát triển hiện nay không hoàn toàn mới; chúng là các thiết kế được sửa đổi từ các lò phản ứng đã được xây dựng thành công từ nhiều thập kỷ trước. “Chúng tôi biết tất cả những khái niệm này đều hoạt động,” Terrani nói. “Vấn đề là chúng ta không thể xây chúng nhanh chóng và rẻ.”

Terrani và đồng nghiệp của anh đang làm việc trên điều đó. Đội ngũ Oak Ridge gần đây đã hoàn thiện thiết kế sơ bộ cho lõi in 3D nằm ở trung tâm của Reactor Thách thức Biến đổi của họ, hay TCR. Mặc dù hầu hết các thành phần của lò phản ứng sẽ được làm từ các thành phần thông thường, nhưng lõi sẽ được in toàn bộ từ carbide silic hữu cơ, một vật liệu cực kỳ bền chặt và gần như không thể tan chảy. Lõi trụ tròn màu bạc đậm với một số bộ sưu tập nhiều góc bất thường được sắp xếp ở trung tâm. Đây là nơi mà tất cả những điều kỳ diệu xảy ra trong một lò phản ứng hạt nhân: nó chịu trách nhiệm giữ nhiên liệu uranium và các thành phần điều khiển phản ứng phân hạch. Lõi được thiết kế và in tại Oak Ridge có chiều cao không quá một foot và nửa và sẽ được đặt trong một lò phản ứng không lớn hơn nhiều so với một thùng bia. Nhưng khi hoạt động vào năm 2023, Terrani nói rằng nó sẽ tạo ra đến 3 megawatt công suất, đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của hơn 1,000 ngôi nhà trung bình.

TCR là một lò phản ứng gas làm mát tiên tiến sử dụng helium làm chất làm mát, trong khi hầu hết các lò phản ứng hiện đại ở Mỹ ngày nay sử dụng nước. Lò phản ứng làm mát bằng khí cực kỳ hiệu quả nhiên liệu vì chúng hoạt động ở nhiệt độ rất cao - lò này sẽ hoạt động ở khoảng 1,200 độ Fahrenheit - và Terrani nói rằng việc in 3D lõi lò phản ứng sẽ nâng cao hiệu suất hơn nữa. Hơn nữa, các kỹ thuật chế tạo truyền thống cho việc xây dựng lõi lò phản ứng hạn chế thiết kế của chúng. Mạng lưới phức tạp các kênh làm mát trong lõi Oak Ridge quá nhỏ và quanh co cho bất kỳ kỹ thuật chế tạo truyền thống nào. Nhưng vì máy in 3D xây dựng một đối tượng bằng cách hàn kim loại lại với nhau từng lớp một, các kỹ sư có thể xây dựng các thiết kế lõi trước đây không thể thực hiện được.

“Chúng ta không còn bị bó buộc bởi các hình học nhàm chán,” Terrani nói. “Thay vì một mảng các đối tượng giống nhau, bạn có thể thay đổi thiết kế trên toàn bộ lõi và có hệ thống của bạn phản ứng với môi trường.”

In ấn 3D cũng sẽ giúp các kỹ sư hạt nhân hiểu rõ hơn về những gì đang diễn ra bên trong lõi khi lò phản ứng hoạt động. Trong một lò phản ứng thông thường, hành vi của lõi phải được theo dõi từ bên ngoài. Nhưng các thiết kế mới được kích thích bởi in 3D sẽ cho phép nhúng cảm biến cung cấp dữ liệu trực tiếp từ lõi. Hơn nữa, in 3D cũng mang lại sự kiểm soát hơn cho kỹ sư hạt nhân đối với quá trình sản xuất. Các bộ phận riêng lẻ của lõi TCR mất từ 8 đến 24 giờ để in và Terrani nói rằng toàn bộ lõi có thể được in trong vài tuần. Trong quá trình in, một thuật toán máy nhìn hình ảnh đang thu dữ liệu từ camera hồng ngoại và các cảm biến khác giúp nó xác định xem có xảy ra bất kỳ khuyết điểm nào trong quá trình in.

Nhưng đó là cái mà Terrani nhìn thấy là sự thay đổi lớn nhất. Khi một bộ phận được làm cho một lò phản ứng hạt nhân thông thường, nó phải trải qua quá trình chứng nhận đắt tiền và chậm trễ. Đắt tiền như thế nào? Terrani nói rằng anh ta biết về một nhà máy hạt nhân đã phải trả 20,000 đô la cho một ốc vít với giá chỉ vài xu để làm vì ốc vít đó được chứng nhận đặc biệt cho các hệ thống hạt nhân. (Anh ta từ chối tiết lộ tên cụ thể của nhà máy.)

“Một trong những bước tốn kém và mất thời gian nhất cho một thành phần cấu trúc mới trong lõi lò phản ứng hạt nhân là chi phí để chứng nhận thành phần,” Nicholas Brown, một kỹ sư hạt nhân tại Đại học Tennessee, Knoxville, nói. “Thường, quy trình này có thể mất hàng thập kỷ và hàng triệu hoặc tỷ đô la.” Brown nói rằng chi phí của các bộ phận mới rất cao vì việc chứng nhận chúng thường liên quan đến quy trình “nấu và xem”: một bộ phận mới được đặt trong một lò thử nghiệm để xem nó hoạt động như thế nào, kỹ sư thực hiện các thay đổi vào bộ phận dựa trên dữ liệu này, và quy trình được lặp lại cho đến khi hiệu suất đạt đến kỳ vọng. Giống như các công nghệ lò phản ứng hạt nhân chính chúng, quy trình chứng nhận chúng để sử dụng vẫn bị mắc kẹt ở thập kỷ 1970.

Terrani hy vọng rằng lượng dữ liệu được tạo ra từ việc in 3D bộ phận có thể làm nhanh hóa quá trình chứng nhận và giảm chi phí để đưa một lò phản ứng hạt nhân vào sử dụng. Anh ta nói rằng một bộ phận in 3D kích thước bàn tay có thể dễ dàng tạo ra hàng trăm gigabyte thông tin về chất lượng của bộ phận. Nếu có khuyết điểm, nó sẽ hiển thị trong dữ liệu - không cần sử dụng siêu âm và các kiểm tra đắt tiền khác để tìm kiếm nó. Nhưng thay vì để con người lọc qua núi dữ liệu được tạo ra bởi máy in 3D, các nhà nghiên cứu tại Oak Ridge đang huấn luyện một thuật toán học máy để sử dụng dữ liệu đó để xác minh bộ phận. “Một khi chúng ta đã tạo ra vật thể, chúng ta không cần phải trở lại và dành nhiều tháng để chứng nhận các vật thể,” Terrani nói. “Hãy tưởng tượng khoảnh khắc bạn đã làm xong một bộ phận và trí tuệ nhân tạo có thể nói cho bạn biết nó có tốt hay xấu. Đó là giấc mơ.”

Hệ thống làm mát bằng khí của TCR về cơ bản là một phiên bản nâng cao của X-10, lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới được thiết kế để hoạt động liên tục. Xây dựng tại Oak Ridge vào đầu những năm 1940, X-10 được bật lên lần đầu tiên chỉ sau 9 tháng kể từ khi bắt đầu xây dựng. Đó là một tốc độ đáng kinh ngạc, khi mà lò phản ứng hạt nhân duy nhất đang được xây dựng ở Mỹ hiện nay dự kiến mất ít nhất 12 năm để hoàn thành. Terrani hy vọng rằng in 3D, trí tuệ nhân tạo và các công nghệ mới khác có thể mang lại tốc độ phát triển và triển khai nhanh chóng này trở lại ngành công nghiệp hạt nhân.

“Năng lượng hạt nhân không thể là ngành công nghiệp duy nhất không áp dụng bất kỳ công nghệ mới nào,” anh ta nói. “Chúng tôi muốn mở cửa chảy và thấy năng lượng hạt nhân tiên tiến ở đất nước này.”

Thêm Nhiều Bài Viết Tuyệt Vời Từ MYTOUR

• Bài thú nhận của Marcus Hutchins, hacker đã cứu mạng
• Người nào đã phát minh ra bánh xe? Và họ làm thế nào?
• 27 ngày ở Vịnh Tokyo: Điều gì đã xảy ra trên Diamond Princess
• Tại sao nông dân đổ sữa, thậm chí khi người ta đang đói
• Mẹo và công cụ cắt tóc tại nhà
• 👁 Trí tuệ nhân tạo khám phá ra một liệu pháp tiềm năng cho Covid-19. Ngoài ra: Cập nhật tin tức AI mới nhất
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để trở nên khỏe mạnh? Hãy kiểm tra những lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi cho bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ chạy bộ (bao gồm giày và tất chạy bộ), và tai nghe tốt nhất