Представьте себе напечатанные на 3D-принтере элементы активной зоны ядерного реактора или топливные таблетки. Идея создавать при помощи технологии трехмерной печати материалы, способные выдерживать экстремальные условия эксплуатации ядерного реактора, может показаться невероятной, однако, по мнению многих экспертов, именно эта технология нужна, чтобы ускорить внедрение усовершенствованных реакторов и приумножить вклад ядерных технологий в борьбу с изменением климата.
Трехмерная печать уже используется в некоторых отраслях промышленности. Она представляет собой разновидность аддитивного производства, при котором печать объекта происходит за счет послойного наращивания материала. В этом заключается ее отличие от субтрактивного производства, которое предполагает удаление лишнего материала путем срезания или плавления. Трехмерная печать выполняется под управлением компьютера непосредственно на основе цифрового чертежа. Технология позволяет создавать объекты сложных форм, изготовление которых ранее было затруднительным или даже невозможным. Такой метод производства быстрее, дает меньше отходов, снижает вероятность ошибки и зачастую позволяет конструкторам уменьшить вес изделий – все эти качества могут значительно снизить производственные затраты.
«Вслед за авиационной и автомобильной промышленностью ядерная отрасль в будущем сможет широко использовать технологии трехмерной печати и другие передовые технологии производства, — говорит инженер-атомщик Анинда Дутта Рай, занимающийся в МАГАТЭ вопросами передовых технологий производства. — Потенциал для этого, безусловно, есть. Первые шаги в этом направлении уже предпринимаются. Проводятся активные научные исследования и анализ с учетом существующих норм и правил проектирования ядерных объектов, при этом некоторые регулирующие органы уже успели приступить к разработке руководящих материалов для лицензиатов».
Первые шаги на пути внедрения технологии трехмерной печати — небольшие, медленные и осторожные, как и в большинстве новых производственных процессов. Ядерная отрасль уже знает несколько случаев первого использования технологии трехмерной печати, среди них установленная в 2017 г. на реакторе в Словении крыльчатка насоса. Похожий на вентилятор или турбину элемент прогоняет воду через насос. Ввиду отсутствия первоначальных чертежей эту деталь решили изготовить с помощью 3D-печати.
В Соединенных Штатах Америки разработкой технологии трехмерной печати для ядерной сферы и других отраслей занимается Окриджская национальная лаборатория (Oak Ridge National Laboratory (ORNL). В ходе первого в своем роде испытания ORNL напечатала крепежные элементы, так называемые канальные крепления. В 2021 г. детали были установлены на ядерном энергетическом реакторе. Они будут находиться в реакторе до 2027 г., затем их извлекут и проверят с целью дать оценку их эксплуатационным характеристикам в условиях работы реактора. В 2022 г. французская многонациональная компания «Фраматом» установила на АЭС «Форсмарк» в Швеции первый изготовленный при помощи технологии трехмерной печати компонент тепловыделяющего элемента из нержавеющей стали. Кроме того, в Российской Федерации недавно был создан 3D-принтер, который способен печатать изделия диаметром до 2,2 м и высотой до 1 м, а в Республике Корея трехмерная печать используется при производстве компонентов для регулирующих клапанов.
Поскольку технология трехмерной печати едва ли создавалась с учетом интересов ядерной отрасли, в настоящее время производственные технологии адаптируют исходя из потребностей отрасли. И хотя разрабатывающие промышленные стандарты организации уже создают стандарты трехмерной печати для различных отраслей, в ядерной сфере такие стандарты находятся на ранней стадии разработки.
Одной из задач МАГАТЭ является содействие международному сотрудничеству и обмену знаниями. В апреле 2023 г. МАГАТЭ объявило о создании Международной сети инноваций для поддержки действующих атомных электростанций (Innovation to Support Operating Nuclear Power Plants – ISOP). ISOP — это открытая для участия сеть и площадка для взаимодействия между странами по целому ряду инновационных направлений, включая перспективные производственные методы, такие как трехмерная печать.
Кроме того, в июне 2022 г. МАГАТЭ приступило к реализации инициативы Р. М. Гросси по гармонизации и стандартизации в области использования атомной энергии (Nuclear Harmonization and Standardization Initiative – NHSI), которая призвана содействовать развертыванию усовершенствованных ядерных реакторов и малых модульных реакторов (ММР) с учетом требований ядерной и физической безопасности. Цель NHSI – гармонизировать подходы к регулированию и выработать более стандартизированные промышленные подходы, включая общие подходы к нормам и стандартам в ядерной сфере, которые были бы применимы к аддитивным технологиям изготовления частей для ММР.