راکتورهای هسته ای ساخته‌شده با فناوری چاپ سه‌بعدی به‌زودی از راه می‌رسند

هسته‌ی رآکتور هسته‌ای یکی از محیط‌های نامعمول ساخت انسان روی زمین است و دانشمندان به‌تازگی دریافته‌اند چگونه می‌توانند چنین هسته‌ای را چاپ کنند. کورت ترانی، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی اوک‌ریج، می‌خواهد آینده‌ی انرژی هسته‌ای را تسریع بخشد؛ بنابراین، به گذشته‌ی آن روی آورده است. در یک‌ونیم سال گذشته، ترانی و گروهی از فیزیک‌دانان و مهندسان و دانشمندان علوم کامپیوتر در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج در ایالت تنسی اجزای رآکتور هسته‌ای گازسرد را طراحی کرده و ساخته‌اند.

رآکتور گازسرد نوعی رآکتور است که تقریبا به‌اندازه‌ی خود عصر هسته‌ای قدیمی است؛ اما جدیدترین شکافنده‌ی اتم اوک‌ریج ویژگی متمایز قرن بیست‌ویکمی دارد. این رآکتور وقتی در سال ۲۰۲۳ به مرحله‌ی عملیاتی برسد، نخستین رآکتور هسته‌ای در جهان خواهد بود که هسته‌ی آن با فناوری چاپ سه‌بعدی ساخته شده است. ترانی مدیر فنی برنامه‌ی Transformational Challenge Reactor یا به‌اختصار TCR اوک‌ریج است. وی درباره‌ی این موضوع می‌گوید: «کاری که مشغول انجامش هستیم، پیداکردن راهی سریع‌تر برای ساخت سیستمی هسته‌ای است که عملکرد برتر داشته باشد. هدف این است که اساسا روش اجرای هسته‌ای را تغییر دهیم».

صنعت هسته‌ای ازنظر محافظه‌کاری شدید و مقاومت دربرابر تغییر معروف است و ترانی ابراز تأسف می‌کند که همه‌ی رآکتورهای هسته‌ای آمریکا هنوز در حال استفاده از فناوری‌ای هستند که رؤیای نیم‌قرن پیش بوده است. این طرزفکر که «اگر چیزی شکسته نیست، آن را تعمیر نکن»، روشی برای مدیریت ریسک ذاتی و هزینه‌های گزاف ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای جدید است؛ اما درعین‌حال، نوآوری را در صنعتی سرکوب می‌کند که بخش اعظم انرژی عاری از کربن آمریکا را مهیا می‌کند. نگرانی ترانی از این مسئله است که اگر صنعت هسته‌ای پذیرای فناوری جدید نباشد، به‌زودی منسوخ خواهد شد.

البته معنای این مسئله آن نیست که باید بدون ارزیابی صلاحیت، ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای آزمایشی را شروع کنیم. دلیل حرکت آهسته‌ی صنعت هسته‌ای این است که قیمت محاسبه‌ی اشتباه بسیار زیاد است. حوادث چرنوبیل و فوکوشیما فاجعه‌های تأثیرگذاری بود که کسی نمی‌خواهد تکرار شود.

بااین‌همه، ریسک‌گریزی مانع از این نشده است که صنایع محافظه‌کار دیگر فناوری‌های جدید را قبول نکنند. به هوافضا نگاه کنید: جایی که شرکت‌ها اکنون راکت‌ها را چاپ سه‌بعدی می‌کنند و هواپیماهایی به پرواز درمی‌آورند که بدون نیاز به خلبان فرود می‌آیند و تقویت‌کننده‌ها (بوستر) را در کشتی‌های بدون سرنشین به‌کار می‌برند. این در حالی است که بیشتر رآکتورهای پیشرفته‌ی در دست توسعه‌ی امروز جدید نیستند. آن‌ها طرح‌های اصلاح‌شده از رآکتورهایی هستند که در دهه‌های گذشته با موفقیت ساخته شده بودند. ترانی می‌گوید:

می‌دانیم تمامی این ایده‌ها کار می‌کند. مشکل این است که نمی‌توانیم آن‌ها را با سرعت زیاد و هزینه‌ی کم بسازیم.

ترانی و همکارانش مشغول کار روی این موضوع هستند. تیم اوک‌ریج اخیرا طرح اولیه‌ای برای چاپ سه‌بعدی هسته رآکتور تکمیل کرده است. بیشتر رآکتور از اجزای معمول و هسته با استفاده از کاربید سیلیسیوم چاپ سه‌بعدی خواهد شد. کاربید سیلیسیوم ماده‌ی بسیار سختی محسوب می‌شود که ذوب آن تقریبا ناممکن است. هسته‌ی استوانه‌ای از جنس نقره‌ی برس‌خورده است که چندین میله سوخت به‌شکل نُه‌‌ضلعی غیرمنتظم در مرکز آن قرار گرفته‌اند. این همان جایی است که تمام جادوها در رآکتور هسته‌ای اتفاق می‌افتد. این بخش مسئول نگه‌داشتن سوخت اورانیوم و اجزایی است که واکنش شکافت را کنترل می‌کند.

هسته‌ای که در اوک‌ریج طراحی و چاپ شده، کمتر از نیم‌متر ارتفاع دارد و در رآکتوری قرار داده می‌شود که چندان بزرگ‌تر از بشکه‌ای کوچک نیست. ترانی می‌گوید وقتی این طرح در سال ۲۰۲۳ به مرحله‌ی عملیاتی برسد، تا سه مگاوات نیرو تولید می‌کند که برای برآورده‌ساختن نیاز بیش از هزار خانه‌ی متوسط کافی است.

TCR رآکتور گازسرد پیشرفته‌ای است که از هلیوم به‌عنوان خنک‌کننده استفاده می‌کند. این در حالی است که به این منظور امروزه در بیشتر رآکتورهای عملیاتی از آب استفاده می‌شود. رآکتورهای گازسرد ازنظر سوختی بسیار کارآمد هستند؛ زیرا در دماهای بسیار زیاد کار می‌کنند. این نمونه در دمای تقریبی ۶۴۹ درجه سانتی‌گراد اجرا خواهد شد و ترانی می‌گوید چاپ سه‌بعدی هسته رآکتور موجب افزایش بیشتر بازده نیز می‌شود.

علاوه‌بر‌این، استفاده از تکنیک‌های ماشین‌کاری سنتی برای ساخت هسته‌ی رآکتور طراحی آن‌ را محدود می‌کند. شبکه‌ی پیچیده‌ی کانال‌های خنک‌کننده در هسته اوک‌ریج برای تکنیک‌های ماشین‌کاری سنتی بسیار کوچک و پرپیچ‌و‌خم است؛ اما ازآنجاکه چاپگرهای سه‌بعدی اشیاء را با ترکیب لایه‌لایه‌ی فلزات می‌سازند، مهندسان می‌توانند طرح‌هایی هسته‌ای بسازند که قبلا ساخت آن‌ها ناممکن بود. ترانی می‌گوید:

دیگر اسیر هندسه‌های تکراری نیستیم. به‌جای مجموعه‌ای از ساختارهای یکسان، می‌توانید طرح را در هسته تغییر دهید و سیستم خود را برای پاسخ‌گویی به محیط به‌کار گیرید.

_{تجزیه‌و‌تحلیل شبکه‌ی عصبی از موقعیت قطعه داده‌هایی تصویری ایجاد می‌کند که ناهنجاری‌ در مؤلفه‌ها را در مکان‌های خاص تشخیص می‌دهد.}

چاپ سه‌بعدی به مهندسان هسته‌ای کمک می‌کند تصویر بهتری از اتفاقی به‌دست آورند که با راه‌اندازی و اجرای هسته رآکتور درون آن رخ می‌دهد. در رآکتور معمولی، رفتار هسته باید از خارج زیرنظر گرفته شود؛ اما طرح‌های جدیدی که با چاپ سه‌بعدی ممکن شده‌، امکان تعبیه‌ی حسگرهایی را فراهم می‌کنند که داده‌هایی را مستقیما از هسته به‌ارمغان می‌آورند.

علاوه‌براین، چاپ سه‌بعدی به مهندسان هسته‌ای امکان کنترل بیشتر روی فرایند تولید را می‌دهد. چاپ قطعات انفرادی هسته TCR تقریبا ۸ تا ۲۴ ساعت زمان می‌برد و ترانی می‌گوید کل هسته را می‌توان در چندین هفته چاپ کرد. حین چاپ، الگوریتم بینایی ماشین داده‌ها را از دوربین‌های مادون‌قرمز و دیگر حسگرها جمع می‌کند که به تشخیص هرگونه نقص در فرایند چاپ کمک خواهد کرد. بااین‌حال، این مرحله‌ی بعدی است که ترانی آن را به‌عنوان بزرگ‌ترین تغییردهنده‌ی بازی می‌بیند. وقتی قسمتی از رآکتور هسته‌ای معمولی ساخته شود، باید فرایند گران و آهسته‌ی کسب مجوز را بگذارند. چقدر گران؟ ترانی می‌گوید او نیروگاهی هسته‌ای می‌شناسد که مجبور شد برای ساخت پیچی که چند سنت بیشتر قیمت نداشت، ۲۰ هزار دلار بپردازد؛ چراکه پیچ به‌طورخاص برای استفاده در سیستم‌های هسته‌ای مجوز گرفته بود.

_{تصویر بخش سوختی را نشان می‌دهد که پوشش دولایه دارد و طراحی کانال‌های خنک‌سازی آن به‌شکل مارپیچ است و سطح تماس بسیار زیادی ایجاد می‌کند.}

نیکلاس براون، مهندس هسته‌ای در دانشگاه دانشگاه تنسی در ناکسویل می‌گوید:

یکی از مراحل گران و زمان‌بر برای ساخت مولفه‌ی ساختاری جدید در هسته‌ی رآکتور هسته‌ای، مرحله‌ی کیفیت‌سنجی آن است. معمولا این فرایند می‌تواند چند دهه زمان و میلیون‌ها یا میلیاردها دلار هزینه داشته باشد.

بروان می‌گوید هزینه‌های اجرای قطعات جدید بسیاز زیاد است؛ زیرا کسب مجوز آن‌ها معمولا مانند فرایند «پختن و نگاه‌کردن» است. بخش جدید در رآکتور آزمایش قرار داده می‌شود تا نحوه‌ی عملکردش مشاهده شود. سپس، مهندسان براساس این داده‌ها تغییراتی در آن قسمت ایجاد می‌کنند و فرایند تا وقتی تکرار می‌شود ‌که عملکرد انتظارات را برآورده سازد.

همچون خودِ فناوری‌های رآکتور هسته‌ای، فرایند تأیید صلاحیت آن‌ها برای استفاده نیز به‌شکل دهه‌ی ۱۹۷۰ مانده است. ترانی امیدوار است حجم عظیم داده‌هایی که ازطریق قطعات چاپ سه‌بعدی‌شده تولید می‌شود، بتواند فرایند صدور گواهینامه را تسریع بخشد و هزینه‌ی عملیاتی‌کردن رآکتور هسته‌ای را کاهش دهد. او می‌گوید هر قطعه‌ی چاپ سه‌بعدی‌شده به‌اندازه‌ی دست شما می‌تواند به‌آسانی صدها گیگابایت اطلاعات درباره‌ی کیفیت آن قسمت تولید کند. اگر نقصی وجود داشته باشد، در داده‌ها نشان داده خواهد شد و برای یافتن آن به استفاده از اولتراسوند و دیگر آزمایش‌های گران‌قیمت نیازی نیست.

به‌جای داشتن غربال انسانی در میان انبوه داده‌های حاصل‌ از چاپگر سه‌بعدی، پژوهشگران اوک‌ریج مشغول آموزش الگوریتم یادگیری ماشین برای استفاده از آن داده‌ها برای تأیید قطعات هستند. ترانی می‌گوید:

پس از ساختن قطعات، نیازی نیست برگردیم و چند ماه را صرف تأیید صلاحیت آن‌ها کنیم. لحظه‌ای را تصور کنید که بخشی را کامل کرده‌‌اید و هوش مصنوعی به شما می‌گوید این خوب یا بد است. این رؤیا است.

سیستم گازسرد TCR اساسا نسخه‌ی تقویت‌شده‌ای از X-10 به‌حساب می‌آید که اولین رآکتور هسته‌ای جهان است و برای بهره‌برداری مداوم طراحی شد. رآکتور X-10 که در اوایل دهه‌ی ۱۹۴۰ در اوک‌ریج ساخته شد، فقط ۹ ماه پس از آغاز ساخت اولین‌بار روشن شد. با‌توجه‌به اینکه انتظار می‌رود تکمیل تنها رآکتور هسته‌ای در حال ساخت در آمریکا حداقل ۱۲ سال طول بکشد، این سرعتی حیرت‌انگیز است. ترانی امیدوار است چاپ سه‌بعدی و هوش مصنوعی و دیگر فناوری‌های جدید بتوانند سرعت چشمگیر توسعه و راه‌اندازی را به صنعت هسته‌ای بازگردانند. او می‌گوید:

انرژی هسته نمی‌تواند تنها صنعتی باشد که فناوری جدیدی نمی‌پذیرد. می‌خواهیم این کار را آغاز کنیم و قدرت هسته‌ای پیشرفته را در این کشور ببینیم.