Binder jetting met keramiek als troef voor veilige, lokale kernenergie

"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.