Eine Zusammenarbeit zwischen den US-Energiebehörden Idaho National Laboratory (INL) und Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hat die Prüfung von additiv gefertigten nuklearen Bauteilen optimiert. Mithilfe eines von ORNL entwickelten Software-Algorithmus wird die Qualität von 3D-gedruckten Metallkomponenten geprüft, um vielversprechende Materialien und Legierungen für die nächste Generation von Kernreaktoren zu identifizieren. Der Algorithmus, bekannt unter dem Namen „Simurgh“, hat sich als so effektiv erwiesen, dass er nun auch für die Inspektion von keramischen Brennstoffhüllen eingesetzt wird.
Traditionell kann die Qualifizierung neuer Materialien und Fertigungstechnologien für Kernreaktoren Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Simurgh reduziert nicht nur die Scanzeit bei Röntgen-Computertomografie (XCT) um bis zu 90 Prozent, sondern verbessert auch die Sicherheit der Arbeitskräfte und beschleunigt den Evaluationsprozess. Dies wird besonders deutlich bei hochradioaktiven Proben, die aufgrund ihrer Strahlung oft erst nach längerer Abkühlzeit untersucht werden können. Kürzere Scanzeiten verringern die Strahlendosis und verlängern die Lebensdauer der empfindlichen Detektoren.
„Wenn wir diesen Algorithmus nutzen, um die Scanzeit für radioaktive Brennstoffe um 90 % zu verkürzen, wird dies die Sicherheit der Arbeiter und die Geschwindigkeit, mit der wir neue Materialien bewerten können, erhöhen“, sagte Bill Chuirazzi, ein Instrumentenwissenschaftler und Leiter der Diffraction and Imaging Group des INL. Die Auswirkungen auf den Nuklearbereich gehen weit über das aktuelle Projekt hinaus. „Auf lange Sicht ermöglicht es uns, den Lebenszyklus neuer nuklearer Ideen von der Konzeption bis zur Umsetzung im Stromnetz zu beschleunigen“, sagte er.
Der Algorithmus kombiniert physikbasierte Simulationen mit Konstruktionsdaten, um exakte Bilder der inneren Struktur von Bauteilen zu erstellen. Im Kernbereich ermöglicht dies eine schnellere Entwicklung und Charakterisierung neuer Materialien für Reaktordesigns wie TRISO-Brennstoffpartikel und kleine modulare Reaktoren. TRISO-Fuel, bestehend aus einem Brennstoffkern in einer Kohlenstoff- und Keramikschicht, wird zunehmend als vielversprechend angesehen.
„Die Kernkraft ist ein kostenintensives Umfeld mit extrem hohen Anforderungen an Präzision, Materialien und Sicherheit“, sagte Ryan Dehoff, Direktor der Manufacturing Demonstration Facility (MDF) des DOE am ORNL. „Die Tatsache, dass wir diese Werkzeugsuite im Nuklearbereich einsetzen, spricht für die Qualität und Zuverlässigkeit der Technologie.“
„Einschließlich der Vorbereitung benötigen wir jetzt nur noch etwa 15 % der Zeit, die wir früher für das Scannen eines Objekts benötigten“, so Chuirazzi. „Wir können drei Scans in der Zeit durchführen, die wir für einen gebraucht haben.“
Die Anwendung von Simurgh in der Kerntechnik ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung. Amir Ziabari, Forscher am ORNL, sagte: „Simurgh entwickelt sich ständig weiter und festigt seine Rolle in der Röntgen-CT-Bildgebung, indem es den Ansatz zur Analyse komplexer Komponenten mit verbesserter Effizienz, Kosteneffizienz und Sicherheit revolutioniert.“
Diese Fortschritte ebnen den Weg für effizientere Inspektionen und schnellere Materialqualifizierung, ein entscheidender Schritt hin zu einer breiteren Implementierung fortschrittlicher Reaktoren.