Binder jetting met keramiek als troef voor veilige, lokale kernenergie

Dennie Rijk
23-05-22

"Binder jetting blinkt echt uit. Het is voor ons als onderdeel van onze complexe serieproductie een goedkoop productieproces met een hoge opbrengst. Het stelt ons in staat om een nieuw paradigma te initiëren voor veilige, betrouwbare en koolstofvrije kernenergie. 

Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) is een wereldleider in het toepassen van microreactoren en is bovendien een sterke verticale integrator van kernenergietechnologieën.

Het bedrijf zet zich in om veilige, commercieel concurrerende, schone en betrouwbare kernenergie naar energiemarkten over de hele wereld te brengen. Voor de innovatie en optimalisatie van kernreactoren maken ze gebruik van 3D printen van keramiek met de binder jetting techniek.

Next-generation kernenergie voor de toekomst

Meer dan een dozijn landen wereldwijd werken nu samen in een mondiale race om Generation IV - next-generation-concepten voor kernenergie. Deze concepten worden als essentieel beschouwd voor het leveren van koolstofvrije energie aan een wereld met een steeds grotere vraag naar elektriciteit. Dus geen gebruik van kolencentrales meer.

Terwijl hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie blijven groeien, heeft zich in energiekringen een conventionele wijsheid ontwikkeld dat kernenergie op zichzelf staat als een betrouwbare energiebron op basislastniveau. Dat is een bron die continu moet werken om 24 uur per dag en 7 dagen per week aan de minimumvraag naar elektriciteit te voldoen zonder negatieve gevolgen voor het milieu.

Dr. Kurt A. Terrani, Executive Vice President van de Core Division van USNC, werkt met geavanceerde technieken zoals binderjet 3D-printen om innovatieve onderdelen voor kernreactoren te produceren.

In dit speelveld levert USNC een baanbrekende bijdrage aan een groep innovatieve bedrijven die werken aan het op de markt brengen van geavanceerde nucleaire concepten. Hierbij zijn vaak nieuwe productiemethoden, zoals 3D-printen, nodig om geheel nieuwe ontwerpen te realiseren die optimale prestaties leveren op basis van unieke materialen.

Internationaal erkend expert op het gebied van splijtstoffen Dr. Kurt A. Terrani, voormalig Nationaal Technisch Directeur van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL), heeft zich in februari 2020 aangesloten bij het team van USNC om de missie van het bedrijf naar een nog hoger plan te tillen. Hierin staat het veilige en gecontroleerde produceren van betrouwbare kernenergie op aanvraag centraal. Ongeacht waar in wereld die productie moet plaatsvinden. Terrani voorspelt dat kleine geavanceerde reactoren op basis van innovatieve brandstoffen en koelmiddelen - dus geen gigantische kerncentrales - een paradigmaverschuiving in kernenergie teweeg zullen brengen. Dit nieuwe paradigma heeft de wereld hard nodig, vooral nu.

"USNC opereert aan de frontlinie van splijtstof- en reactorontwerp en is een pionier op het gebied van veiligheid en prestaties", aldus Terrani. "Het opstarten van een nieuwe generatie microreactoren luidt een keerpunt in in de koolstofvrije energieproductie wereldwijd."

Fukushima ramp vs klimaatverandering

De reis van USNC begon in 2011; hetzelfde jaar waarin Japan door een inmiddels beruchte aardbeving werd getroffen. De kerncentrale van Fukushima Daiichi legde zoals voorgeschreven haar activiteiten stil. Vijftig minuten na de beving werd de centrale echter getroffen door een tsunami. Deze overspoelde en beschadigde nagenoeg alle generatoren die werden gebruikt om het koelwater in beweging te houden. Dit leidde tot een meltdown en de daaropvolgende explosie van drie reactoren.

Het tragische ongeval trof de nucleaire industrie in een toch al lastige periode. De hoge kosten van traditionele reactoren, in combinatie met andere ernstige ongevallen zoals in Tsjernobyl, vertraagde vooruitgang en deden vele landen tot ontmanteling besluiten. Tegelijkertijd kwamen veel regeringen tot de tegenstrijdige conclusie dat kernenergie eigenlijk een van de meest betrouwbare, draagbare en groene basisbronnen is.

De Verenigde Staten, de EU, Canada, Japan en vele andere staten en landen beschouwen kernenergie, waarbij geen CO2 vrijkomt, als onmisbare schakel in een duurzame energiemix, helemaal nu het mondiale elektriciteitsverbruik blijft toenemen.

Nu wisten vooraanstaande nucleaire deskundigen, waaronder Terrani, al geruime tijd dat er een betere manier is om veilige kernenergie te realiseren. De technologieën die destijds werden gebruikt in installaties zoals die van Three Mile Island en Fukushima dateerden uit de jaren vijftig en zestig. Veel geavanceerde veilige materialen en productiemethoden waren toen nog niet beschikbaar.

De innovatieve Fully Ceramic Micro-encapsulated (FCM) splijtstof van USNC wordt mogelijk gemaakt door het binderjetten van siliciumcarbide matrixontwerpen om radioactief materiaal te allen tijde veilig ingesloten en ingekapseld te houden.

Desondanks werd de roep om kernenergie geleidelijk af te schaffen steeds luider. Dit terwijl de oprichters van Ultra Safe Nuclear ervan overtuigd waren dat het volledig in de ban doen van kernenergie ernstige gevolgen zou hebben voor de strijd tegen de klimaatverandering en de bestendigheid van wereldwijde elektriciteitssystemen.

Zij besloten daarom om al hun energie en kennis in Generation IV-kernenergie te steken, een nieuwe technologie die hen in staat zou stellen de kernsplijting echt beheersbaar te maken en ongelukken volledig te voorkomen.

Innovatieve aanpak vraagt om innovatieve productie

De kern van een nieuwe reactor ligt besloten in een volledig ingekapselde keramische microbrandstof, genaamd Fully Ceramic Micro (FCM). De productie van dergelijke brandstofcapsules wordt mogelijk gemaakt door de innovatieve 3D binderjet printer van Desktop Metal. Deze printers zijn in staat om hittebestendige siliciumcarbide te verwerken, waardoor unieke 3D-geometrieën geprint kunnen worden die standaard splijtstofdeeltjes veilig kunnen omsluiten.

Vandaag de dag gebruikt USNC de nieuwe productiemethode om hun uiterst betrouwbare en veilige micromodulaire reactor (MMR) energiesystemen van brandstof te voorzien. Aangezien de binder jet 3D printers van Desktop Metal een cruciale stap in USNC's brandstofproductie faciliteren, zijn ze tevens essentieel voor onderliggende innovaties.

Testen in de Benelux

De nieuwe aanpak staat inmiddels volop in de belangstelling. Ook in de Benelux. Zo test de Nuclear Research & Consultancy Group in Petten momenteel de FCM-splijtstof van de USNC.

Eerste microreactor in Canada

Los daarvan werkt USNC, via haar joint venture Global First Power, ook aan de ingebruikneming van haar allereerste MMR in Chalk River Laboratories. Deze locatie is in handen van Atomic Energy of Canada Limited en wordt beheerd door Canadian Nuclear Laboratories. Momenteel wordt getracht een License to Prepare Site te verkrijgen van de Canadian Nuclear Safety Commission (CSNC).

"Kleine reactoren met hun veelzijdigheid en vermogen om schone, goedkope energie op te wekken, zouden de perfecte oplossing kunnen bieden voor unieke energie-uitdagingen, zoals de energievoorziening van afgelegen gemeenschappen en mijnen die momenteel afhankelijk zijn van dure diesel elektriciteit."

-- Todd Smith, minister van Energie.

Over modulaire/microreactoren

  • Kleine modulaire reactoren (SMR's) produceren tot 300 megawatt (MW) aan vermogen, terwijl zeer kleine modulaire reactoren (vSMR's) of microreactoren tot 20 MW per module produceren.
  • Eén MW levert een jaar lang stroom voor ongeveer 1000 gemiddelde Nederlandse huishoudens.
  • Microreactoren zijn gemakkelijk te vervoeren en zullen in de toekomst waarschijnlijk basissen op de maan en Mars van stroom voorzien, alsook de ruimtestations die zich in een baan om de aarde bevinden.

Meer weten over binder jetting?

Kom langs in onze showroom met een persoonlijke afspraak

Contact opnemen

Verschuiving van het nucleaire paradigma

Om haar innovatie te realiseren, concentreerde USNC zich op het combineren van een zeer geavanceerd en veilig ontwerp van het reactorsysteem met een eveneens zeer geavanceerd en veilig splijtstofsysteem. Deze gecombineerde aanpak, waarbij gebruik wordt gemaakt van state-of-the-art productiemethoden, bracht eigentijdse mogelijkheden die zes decennia oude technologie konden transformeren tot een veiligere, efficiëntere reactor voor de 21e eeuw.

"Door een synergetische combinatie van de modernste technologie en de laatste inzichten in fundamentele natuurwetten, zijn we tot een ontwerp gekomen van een passief veilige reactor die geen betonnen koepel, uitsluitingszone of groot waterreservoir nodig heeft, omdat hij inherent veilig is", legt Terrani het idee achter de USNC-aanpak uit. "Wij maken gebruik van een splijtstof die bestand is tegen hoge temperaturen, met meerdere inherente barrières tegen het vrijkomen van straling in de kern van ons reactorsysteem. Dat is de essentie van de Ultra Safe Nuclear-aanpak."

Ultra Safe Nuclear maakt hierbij gebruik van een technologie die feitelijk dateert uit de jaren zestig van de vorige eeuw. De onderneming produceert de gecoate brandstofdeeltjes echter op een veel kleinere schaal. Ook maakt het gebruik van ingekapselde micro-bolletjes die in de industrie bekend staan als TRISO. Het betreft dan een tristructurele isotrope deeltjesbrandstof die een ware opleving kent dankzij de wedloop naar de eerste functionele Generation IV-kernreactoren.

"Het inkapselen is een behoorlijk rijpe en robuuste technologie waarvan is aangetoond dat zij extreem veel weerstand kan bieden tegen het vrijkomen van radionucliden onder een groot aantal omstandigheden," licht Terrani toe. “Traditioneel werden deze brandstofmicrosferen echter in een zachte grafietmatrix geplaatst. Deze was structureel gezien niet sterk en vormde een slechte barrière tegen het vrijkomen van radionucliden.”

Het antwoord van USNC was om deze grafietmatrix te vervangen door een vuurvaste keramiek: siliciumcarbide (SiC). SiC is een technisch keramisch materiaal met een extreme hoge omgevingsstabiliteit dat vaak wordt gebruikt in de ruimtevaart, pantsering, plasmaschermen en in toepassingen met hoge temperaturen. De omstandigheden in een kernreactor behoren tot de zwaarste in de hele industrie. Toch krimpt SiC hier niet en zet het niet overmatig uit, zoals het geval bij traditionele grafietmatrix. Bovendien biedt SiC een zeer hoge corrosieweerstand, waardoor het een unieke stabiliteit biedt, zelfs in de meest veeleisende omstandigheden in een kernreactor.

De micromodulaire reactoreenheden (MMR) van USNC kunnen naar behoefte worden gecombineerd met duurzame energiebronnen om zo continu aan 100% van de energievraag te kunnen voldoen. Ook afgelegen plekken kunnen ermee van stroom worden voorzien.

"Complexe systemen zoals modulaire reactoren voor on-demand stroomvoorziening zorgen samen met hernieuwbare energiebronnen voor een betrouwbare en zeer kosteneffectieve energiemix", aldus Terrani.

Het probleem met SiC is echter dat het een ongelooflijk lastig te maken materiaal is dat zich lastig tot complexe onderdelen laat vormen. Decennia lang was er, ondanks de wens van de industrie om met siliciumcarbide te werken, geen haalbaar of betaalbaar productieproces om zeer zuiver, nucleair toepasbaar kristallijn SiC de gewenste geometrie mee te geven. Althans, niet totdat hoogwaardige 3D-printers het materiaal ontdekten.

Innovatie mogelijk dankzij Desktop Metal binder jetting

3D printen met binder jetting lijkt sterk op papier printen en wordt algemeen beschouwd als de snelste methode van 3D-printen voor grote volumes. Bij deze technologie wordt een bindmiddel in een bed van poederdeeltjes zoals metaal, zand of keramiek gespoten om tot een massief onderdeel te komen. Dit gaat laag voor laag, één dunne laag per keer. Belangrijk voor het 3D-printen van SiC is dat het hele proces bij lage temperaturen plaatsvindt.

"Er bestaan al heel wat Additive Manufacturing-methoden”, legt Terrani uit. “Een groot deel daarvan is echter gebaseerd op printprocessen met een hoge temperatuur. Zo worden bij metaal de deeltjes aan elkaar gesmolten om ze met elkaar te verbinden. Bij siliciumcarbide is dat gezien het hoge smeltpunt geen optie. Binderjettechnologie is uniek omdat ze volledig afhankelijk is van de fysieke kenmerken van het poeder en in feite zeer agnostisch is ten aanzien van de chemische eigenschappen en de fasestructuur van het materiaal. We kunnen dus zeer zuiver, uiterst kristallijn carbidepoeder selecteren, poeder van nucleaire kwaliteit, en deze tot uitermate complexe geometrieën vormen. Vroeger was dat simpelweg onmogelijk."

3D binder jet printen kan direct vanuit het digitale model, zonder dat er tooling nodig is. Dit stelt het USNC-team in staat om hun ontwerpen snel te itereren en tot optimale unieke vormen te komen die anders niet te maken zijn.

De 3D-geprinte SiC-brandstofhouders hebben complexe geometrieën die fungeren als omhulsels voor de splijtstofdeeltjes. Siliciumcarbide wordt vaak geïnfiltreerd met silicium of andere matrices ter verdichting; dit is echter geen optie in een nucleaire omgeving. "Straling zal elk materiaal op een andere manier beïnvloeden. Uniformiteit en homogeniteit van het materiaal is de sleutel tot succes." aldus Terrani.

Door binder jetting te combineren met chemische dampinfiltratie om de poreuze SiC-structuur te vullen met kristallijn siliciumcarbide met een hogere zuiverheidsgraad, kan USNC zeer complexe vormen maken - nagenoeg klaar voor gebruik - zonder het SiC-materiaal te hoeven sinteren, druk uit te oefenen of extra productiefases.

3D keramiek printen met binder jetting als oplossing

Het team van USNC had al vele tientallen jaren ervaring met het verwerken van keramiek. Dit gaf hen een uniek perspectief bij het uitvoeren van een volledige levenscyclusanalyse van hun productie, inclusief kosten, planning en opbrengsten. "Binder jet blinkt echt uit. Het is voor ons als onderdeel van onze complexe serieproductie een goedkoop proces met een hoog rendement," zei Terrani over het printen van SiC door Desktop Metal.

Vergeleken met de conventionele middelen om technisch keramiek te verwerken – denk aan mengers van slurries, spuitgietmachines en ovens - is het 3D-printen met een binderjet volgens Terrani eenvoudig en elegant. Het belangrijkste voor hem en zijn team is dat het ook een "kosteneffectief en betrouwbaar proces" is.

Naast de productie-efficiëntie stelt USNC ‘s eigentijdse productiestrategie met 3D binder jet printing de onderneming in staat om de prestaties van hun reactoren echt te optimaliseren door gebruik te maken van de ontwerpvrijheid die 3D-printen biedt. Voorheen moest het team zich beperken tot één ontwerp, dat in massa werd geproduceerd met behulp van harde metalen gereedschappen. Omdat deze tooling duur en moeilijk aan te passen was en bovendien lange doorlooptijden kende, maakten de ontwerpers één ontwerp zo generiek en efficiënt mogelijk.

3D-printen van keramiek - hoe doe je dat?

Binder jetting van speciale materialen op de Desktop Metal X-Series is ontwikkeld met schaalbaarheid in het achterhoofd. De kloof tussen de R&D en prototyping van innovatieve ideeën en de serieproductie van de functionele toepassing wordt gedicht door de optimale oplossing reproduceerbaar met een reeks productiemachines te produceren.

Zo ontwikkelt USNC nieuwe toepassingen op een InnoventX of X25Pro, voordat de productie wordt opgeschaald met de X160Pro. Kenmerkend voor de machines uit de X-serie zijn onder andere top-of-the-line piëzo-printkoppen en Triple ACT-poederverdichting. Dit resulteert in ongeëvenaarde dichtheden in een verscheidenheid aan materialen, waaronder moeilijk te verwerken poeders zoals siliciumcarbide en andere technische keramiek.

Toepassingen die zijn ontwikkeld op de InnoventX (links) of X25Pro (midden) kunnen met de X160 (rechts) opgeschaald worden naar massaproductievolumes.

"Met binder jetting hebben we de ontwerpvrijheid om unieke onderdelen te maken - we hoeven niet steeds hetzelfde te maken", aldus Terrani. “Deze ontwerpvrijheid maakt het mogelijk om vormen, wanddiktes en koelkanalen op elke USNC-reactor af te stemmen voor operationele efficiëntie en optimale veiligheid.

Naast de mogelijkheid om op grote schaal unieke ontwerpen te produceren, stelt 3D-printen USNC in staat een extra kwaliteitsborgingslaag toe te voegen en zo kernenergie in lijn met de missie nog verantwoorder en veiliger te maken. "We printen een unieke ID op de verschillende onderdelen. Vanaf het moment van ontstaan kunnen we daardoor het productie-DNA van elke reactor voor de hele levenscyclus inzien. Data voor een digitale twin wordt toegevoegd gedurende de productie, de operationele levensduur en tijdens deactivatie", aldus Terrani. "Binder jetting stelt ons dus in staat een nieuw paradigma van veilige, betrouwbare, koolstofvrije kernenergie te bewerkstelligen. Niet alleen voor de industrie, maar ook voor gemeenschappen. Waar deze zich ook bevinden.”

Vond je dit artikel interessant?

Krijg de nieuwste blogs direct in je mailbox door je hieronder in te schrijven.
Je geeft toestemming aan Layertec om je ingediende persoonlijke informatie op te slaan en te verwerken om je van de gevraagde informatie te voorzien.

Dennie Rijk
Dennie volgt alle ontwikkelingen op gebied van 3D printen op de voet. Hij is de ideale gesprekspartner voor bedrijven die zich oriënteren op 3D printen en vertelt met veel enthousiasme over mogelijke toepassingen.

Ook interessant voor u