Koreanische Forscher 3D-drucken hochresistentes großformatiges nukleares Sicherheitsventil

Wissenschaftler des Korean Atomic Energy Research Institute (KAERI) haben ein großes Sicherheitsventil mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften 3D-gedruckt, um es in einem Kernreaktor einsetzen zu können.

Durch die Kombination von 3D-Druck und CNC-Bearbeitung war das KAERI-Team in der Lage, die 30 Kilogramm schwere Armatur mit ultrapräzisen Merkmalen herzustellen, einschließlich einer Reihe komplexer interner Kühlkanäle. Während der Tests erreichte das Ventil die Sicherheitsstufe “Klasse 1”, die in kommerziellen Ersatzteilen zu finden ist, was bedeutet, dass es potenziell in der Lage ist, die schwerste Strahlenbelastung zu überstehen, die in der Nuklearindustrie vorkommt.

Das KAERI-Team hat ein CVCS-Ventil (Chemical and Volume Control System) hergestellt, das zur Druckentlastung des Reaktorkerns eingesetzt wird. Konkret wird das CVCS für die Flüssigkeitszufuhr oder den Durchfluss innerhalb der Reaktoren verwendet. Obwohl es auch anderswo eingesetzt werden kann, müssen sicherheitsrelevante Ventile immer bestimmte Kriterien erfüllen. So müssen nukleare Bauteile vor ihrem Einsatz Wasserdruck-, Betriebs- und Durchflusstests bestehen, und es hat sich bisher als schwierig erwiesen, ausreichend belastbare Komponenten auf Abruf herzustellen.

Laut den KAERI-Wissenschaftlern ist der 3D-Druck von Metallen allein noch nicht in der Lage, die konventionelle Produktion zu ersetzen, wenn es um die Herstellung von Ersatzteilen für Kernkraftwerke geht. Durch die Kombination eines DED-Verfahrens (Directed Energy Deposition) mit einer 5-Achsen-CNC-Bearbeitung war das Team jedoch in der Lage, ein Replikat mit der erforderlichen extremen Präzision herzustellen.

Das chrom- und nickelbasierte Ventil der Forscher bestand aus einem 3D-gedruckten Gehäuse, einer Haube und einem Käfig. Nach dem Zusammenbau wurde das 300 mm große Gerät einer strengen Prüfung unterzogen. Während der Drucktests stellte sich heraus, dass die Schichtgrenzen des Geräts als Brennpunkt für Eigenspannungen fungierten und die Festigkeit um 7-8 % reduzierten.

Auch bei der Nachbearbeitung des CVCS in einer Heiß-Isostatischen Presse (HIP) bei 1100 °C wurde die Integrität um 33 % geschwächt, was 18 % mehr als bei einem herkömmlichen Ventil ist. In Bezug auf die konstante Leistung und die Ermüdungsgrenze übertraf das additiv gefertigte Bauteil jedoch die kommerzielle Version mit einer Zugfestigkeit von 202,6 MPa.

Insgesamt kam das Team zu dem Schluss, dass die konstante Festigkeit ihres additiven Ventils trotz der Reaktion auf die Wärmebehandlung ausreicht, um es für die Endanwendung bereit zu machen.

Die Ergebnisse der Forscher sind in ihrem Paper mit dem Titel “Additive Manufacture of 3 inch Nuclear Safety Class 1 Valve by Laser Directed Energy Deposition” detailliert beschrieben. Die Forschungsarbeit wurde von Suk Hoon Kang, Joowon Suh, Sang Yeob Lim, Seungmun Jung, Young Woon Jang und In Soo Jun mitverfasst.