R.E.News future Technology-3D Printing Tungsten for Nuclear Reactors and Clean Energy

09/10/24-FR-English-NL-footer

Impression 3D de tungstène pour les réacteurs nucléaires et l’énergie propre

Sougata Roy is leading a project to explore new ways to process tungsten for use in nuclear reactors. Larger photo. Photos by Christopher Gannon.

Dans la course pour garantir un avenir alimenté par une énergie propre et fiable, l’énergie nucléaire est un acteur essentiel. Pourtant, dans les coulisses de cet immense potentiel, des chercheurs résolvent des problèmes complexes pour rendre l’énergie nucléaire plus sûre, plus efficace et plus accessible. C’est là qu’intervient Sougata Roy, un expert en génie mécanique de l’Université d’État de l’Iowa, qui élève l’impression 3D à un tout autre niveau.

Dans le cadre d’un projet révolutionnaire financé par une subvention d’un million de dollars du ministère américain de l’Énergie, Roy et son équipe explorent les possibilités de la fabrication additive, communément appelée impression 3D, pour une utilisation dans les réacteurs nucléaires.

L’utilisation de la fabrication additive dans les domaines de l’ingénierie de pointe prend de l’ampleur, mais son application aux composants des réacteurs nucléaires constitue une toute nouvelle frontière. Les travaux de Roy se concentrent sur l’un des matériaux les plus résistants de la planète : le tungstène. Connu pour sa remarquable capacité à résister aux températures extrêmes et à l’érosion, le tungstène est un choix de premier ordre pour les parois internes des réacteurs à fusion. Cependant, travailler avec ce matériau n’est pas une sinécure : il est connu pour être dur et cassant, ce qui rend la fabrication conventionnelle à la fois difficile et coûteuse.

Alors, quelle est la solution ? Pour Roy, la réponse réside dans l’impression 3D. Plus précisément, son équipe utilise une méthode connue sous le nom de dépôt de poudre par soufflage laser à énergie dirigée. Cette technologie utilise des lasers dans des conditions contrôlées pour fusionner la poudre de tungstène couche par couche, créant ainsi des pièces complexes capables de résister aux conditions difficiles à l’intérieur d’un réacteur nucléaire.

Ce qui rend ce projet particulièrement passionnant, c’est l’approche collaborative adoptée par Roy et son équipe. Baptisé « Développement d’un écosystème robuste pour la fabrication additive de tungstène pour des applications et une gestion extrêmes » (DREAM-TEAM), il rassemble certains des esprits les plus brillants du monde universitaire et des laboratoires gouvernementaux.

Aux côtés de Roy, on retrouve Yachao Wang, professeur adjoint de génie mécanique à l’Université du Dakota du Nord, et des chercheurs de trois des laboratoires les plus prestigieux du Département de l’énergie des États-Unis : le laboratoire national Ames, le laboratoire national Argonne et le laboratoire national Oak Ridge. Ensemble, ils se plongent dans les aspects expérimentaux et théoriques de l’impression 3D d’alliages de tungstène.

Cette équipe multidisciplinaire n’imprime pas seulement des pièces en tungstène, mais crée également des simulations informatiques avancées. Ces simulations sont alimentées par l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle, ce qui permet aux chercheurs de prédire comment différents alliages à base de tungstène se comporteront dans les environnements extrêmes des réacteurs nucléaires. Cette approche holistique, combinant des expériences physiques à une modélisation informatique de pointe, distingue le projet.
Pourquoi le tungstène ?

Les propriétés uniques du tungstène en font un candidat idéal pour les réacteurs nucléaires. Son point de fusion élevé (bien au-dessus de 3 400 °C), sa résistance à des températures élevées et sa résistance à l’irradiation neutronique sont essentiels pour résister aux conditions difficiles rencontrées à l’intérieur des réacteurs à fusion nucléaire. De plus, la faible rétention du tritium radioactif par le tungstène est un autre atout de ce matériau, qui le rend plus sûr pour une utilisation à long terme.

Mais, comme le souligne Roy, il y a un hic. Le tungstène est difficile à traiter à l’aide des méthodes traditionnelles en raison de sa dureté et de sa fragilité, ce qui ajoute un coût de fabrication important. C’est là que la promesse de l’impression 3D entre en jeu. En tirant parti de la fabrication additive, l’équipe de Roy espère créer des alliages de tungstène aux propriétés personnalisées, optimisés pour une utilisation dans les réacteurs à fusion.

En bref, ils n’impriment pas seulement des pièces ; ils résolvent l’un des principaux défis de l’ingénierie nucléaire moderne.
Surmonter les défis de la fissuration avec de nouveaux alliages

L’un des plus gros obstacles auxquels l’équipe est confrontée est la fissuration. Le tungstène a tendance à se fissurer lors de la fabrication traditionnelle et encore plus lorsqu’il est soumis aux contraintes d’une chaleur extrême. Mais Roy ne se laisse pas décourager. La stratégie de l’équipe consiste à commencer avec du tungstène pur et à développer progressivement de nouveaux alliages à base de tungstène spécialement conçus pour résister à la fissuration dans de telles conditions.

« Nous finirons par développer de nouveaux alliages pour résoudre ce problème de fissuration »,

En développant ces nouveaux alliages de tungstène, l’équipe espère surmonter l’un des principaux obstacles à la fabrication de réacteurs à fusion nucléaire en solution viable pour la production d’énergie propre à grande échelle.
Le rôle de l’énergie nucléaire dans un avenir énergétique propre

Le rôle de l’énergie nucléaire dans un avenir énergétique propre

Selon l’Energy Information Administration américaine, l’énergie nucléaire fournit déjà environ 19 % de l’électricité aux États-Unis, ce qui en fait la plus grande source d’énergie propre et sans émissions. L’énergie éolienne, en comparaison, représente environ 10 % du mix énergétique américain. Mais alors que l’énergie éolienne et solaire fait la une des journaux, l’énergie nucléaire continue discrètement de jouer un rôle crucial dans la réduction de l’empreinte carbone mondiale.

Roy en est parfaitement conscient. « L’une des principales raisons pour lesquelles je suis enthousiasmé par ce projet est de travailler avec l’énergie nucléaire », a-t-il déclaré. « C’est la plus grande source d’énergie propre aux États-Unis. Cette électricité sans émissions est importante pour l’avenir. »

Avec la poussée mondiale en faveur de la décarbonisation, l’énergie nucléaire est bien placée pour rester une pierre angulaire de la transition vers l’énergie propre, surtout si des projets comme celui de Roy peuvent rendre les réacteurs plus sûrs, plus efficaces et plus économiques.
Un effort de plusieurs millions de dollars pour renforcer les capacités de recherche

La subvention reçue par l’équipe de Roy fait partie d’une initiative plus vaste de 36 millions de dollars du programme établi du ministère américain de l’Énergie pour stimuler la recherche compétitive (EPSCoR). Ce programme est conçu pour renforcer les capacités de recherche liées à l’énergie à travers les États-Unis, en favorisant les collaborations entre les universités et les laboratoires nationaux.

L’objectif plus large de l’EPSCoR est de développer des solutions innovantes aux défis énergétiques du pays, et la fabrication additive de pièces en tungstène pour les réacteurs nucléaires n’est qu’une pièce de ce puzzle. En investissant dans des projets comme celui-ci, le ministère de l’Énergie fait non seulement progresser les technologies d’énergie propre, mais contribue également à construire l’infrastructure de recherche nécessaire pour maintenir le leadership des États-Unis en science et en ingénierie.
Un avenir meilleur pour l’énergie nucléaire

Alors que Roy et son équipe poursuivent leurs travaux, les avantages potentiels de leurs recherches sont de grande portée. En exploitant la puissance de la fabrication additive, ils visent à réduire les coûts, à améliorer la sécurité et à augmenter l'efficacité des réacteurs nucléaires, facteurs clés qui contribueront à faire de l'énergie nucléaire une option plus attrayante dans la lutte contre le changement climatique.

Ce projet est un excellent exemple de la manière dont l'ingénierie innovante peut résoudre des défis du monde réel. L'intégration de l'impression 3D, de la science des matériaux avancés et des simulations informatiques offre un aperçu de l'avenir de l'énergie nucléaire, où la technologie de pointe répond au besoin urgent d'une énergie propre et fiable.
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09/10/24-English

3D Printing Tungsten for Nuclear Reactors and Clean Energy

Sougata Roy is leading a project to explore new ways to process tungsten for use in nuclear reactors. Larger photo. Photos by Christopher Gannon.

In the race to secure a future powered by clean, reliable energy, nuclear power is a pivotal player. Yet, behind the scenes of this immense potential, researchers are solving complex problems to make nuclear energy safer, more efficient, and more accessible. Enter Sougata Roy, a mechanical engineering expert from Iowa State University, who’s taking 3D printing to an entirely new level.

Through a ground-breaking project funded by a $1 million grant from the U.S. Department of Energy, Roy and his team are exploring the possibilities of additive manufacturing—commonly known as 3D printing—for use in nuclear reactors.

The use of additive manufacturing in advanced engineering fields has been gaining momentum, but applying it to nuclear reactor components is a whole new frontier. Roy’s work focuses on one of the toughest materials on Earth: tungsten. Known for its remarkable ability to withstand extreme temperatures and resist erosion, tungsten is a top choice for the inner walls of fusion reactors. However, working with this material is no walk in the park—it’s notoriously hard and brittle, making conventional manufacturing both difficult and costly.

So, what’s the solution? For Roy, the answer lies in 3D printing. Specifically, his team is using a method known as laser powder-blown directed-energy deposition. This technology uses lasers under controlled conditions to fuse tungsten powder layer by layer, building up complex parts that can withstand the punishing conditions inside a nuclear reactor.

What makes this project particularly exciting is the collaborative approach Roy and his team have embraced. Dubbed the “Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management” (DREAM-TEAM) project, it brings together some of the brightest minds from academia and government labs.

Alongside Roy is Yachao Wang, an assistant professor of mechanical engineering at the University of North Dakota, and researchers from three of the U.S. Department of Energy’s most prestigious labs: Ames National Laboratory, Argonne National Laboratory, and Oak Ridge National Laboratory. Together, they’re diving deep into both the experimental and theoretical aspects of 3D printing tungsten alloys.

This multi-disciplinary team is not only printing tungsten parts but also creating advanced computational simulations. These simulations are powered by machine learning and artificial intelligence, allowing the researchers to predict how different tungsten-based alloys will behave in the extreme environments of nuclear reactors. This holistic approach—combining physical experiments with cutting-edge computational modelling—sets the project apart.
Why Tungsten?

Tungsten’s unique properties make it an ideal candidate for nuclear reactors. Its high melting point (well over 3,400°C), strength at elevated temperatures, and resistance to neutron irradiation are crucial for withstanding the harsh conditions found inside nuclear fusion reactors. Furthermore, tungsten’s low retention of radioactive tritium is another feather in its cap, making it safer for long-term use.

But, as Roy points out, there’s a catch. Tungsten is difficult to process using traditional methods due to its hardness and brittleness, which adds significant cost to manufacturing. This is where the promise of 3D printing comes into play. By leveraging additive manufacturing, Roy’s team hopes to create tungsten alloys with customised properties, optimised for use in fusion reactors.

In short, they’re not just printing parts; they’re solving one of the key challenges in modern nuclear engineering.
Overcoming Cracking Challenges with New Alloys

One of the biggest hurdles the team faces is cracking. Tungsten tends to crack during traditional manufacturing and even more so when subjected to the stresses of extreme heat. But Roy is undeterred. The team’s strategy involves starting with pure tungsten and gradually developing new tungsten-based alloys specifically designed to resist cracking under such conditions.

“Eventually we’ll develop new alloys to resolve this cracking challenge,”

By developing these novel tungsten alloys, the team hopes to overcome one of the key barriers to making nuclear fusion reactors a viable solution for large-scale, clean energy production.
The Role of Nuclear Energy in a Clean Energy Future

The Role of Nuclear Energy in a Clean Energy Future

Nuclear power already provides around 19% of the electricity in the U.S., according to the U.S. Energy Information Administration, making it the largest source of clean, emission-free energy. Wind power, by comparison, accounts for about 10% of the U.S.’s energy mix. But while wind and solar energy get most of the headlines, nuclear power quietly continues to play a crucial role in reducing the world’s carbon footprint.

Roy is keenly aware of this. “One of the major things that excites me about this project is working with nuclear energy,” he said. “It’s the largest source of clean power in the United States. This emission-free electricity is important for the future.”

With the global push for decarbonisation, nuclear energy is positioned to remain a cornerstone of the clean energy transition, especially if projects like Roy’s can make reactors safer, more efficient, and more economical.
A Multi-Million Dollar Effort to Build Research Capabilities

The grant that Roy’s team received is part of a larger $36 million initiative by the U.S. Department of Energy’s Established Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR). This program is designed to build energy-related research capabilities across the United States, fostering collaborations between universities and national labs.

EPSCoR’s broader goal is to develop innovative solutions to the country’s energy challenges, and the additive manufacturing of tungsten parts for nuclear reactors is just one piece of that puzzle. By investing in projects like this one, the Department of Energy is not only advancing clean energy technologies but also helping to build the research infrastructure necessary to maintain the U.S.’s leadership in science and engineering.
A Brighter Future for Nuclear Energy

As Roy and his team continue their work, the potential benefits of their research are far-reaching. By harnessing the power of additive manufacturing, they aim to reduce costs, improve safety, and increase the efficiency of nuclear reactors—key factors that will help make nuclear power a more attractive option in the fight against climate change.

This project is a prime example of how innovative engineering can solve real-world challenges. The integration of 3D printing, advanced materials science, and computational simulations offers a glimpse into the future of nuclear energy, where cutting-edge technology meets the urgent need for clean, reliable power.
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09/10/24-NL

3D-printen van wolfraam voor kernreactoren en schone energie

Sougata Roy is leading a project to explore new ways to process tungsten for use in nuclear reactors. Larger photo. Photos by Christopher Gannon.

In de race om een ​​toekomst veilig te stellen die wordt aangestuurd door schone, betrouwbare energie, is kernenergie een cruciale speler. Toch lossen onderzoekers achter de schermen van dit immense potentieel complexe problemen op om kernenergie veiliger, efficiënter en toegankelijker te maken. Maak kennis met Sougata Roy, een expert in werktuigbouwkunde van de Iowa State University, die 3D-printen naar een geheel nieuw niveau tilt.

Via een baanbrekend project dat wordt gefinancierd door een subsidie ​​van $ 1 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie, onderzoeken Roy en zijn team de mogelijkheden van additieve productie, beter bekend als 3D-printen, voor gebruik in kernreactoren.

Het gebruik van additieve productie in geavanceerde technische velden wint aan populariteit, maar het toepassen ervan op kernreactorcomponenten is een geheel nieuw gebied. Roys werk richt zich op een van de sterkste materialen op aarde: wolfraam. Wolfraam staat bekend om zijn opmerkelijke vermogen om extreme temperaturen te weerstaan ​​en erosie te weerstaan, en is een topkeuze voor de binnenwanden van fusiereactoren. Het werken met dit materiaal is echter geen fluitje van een cent: het is notoir hard en broos, waardoor conventionele productie zowel moeilijk als duur is.

Wat is de oplossing? Voor Roy ligt het antwoord in 3D-printen. Zijn team gebruikt specifiek een methode die bekendstaat als laserpoedergeblazen gerichte-energiedepositie. Deze technologie gebruikt lasers onder gecontroleerde omstandigheden om wolfraampoeder laag voor laag te versmelten, waardoor complexe onderdelen worden opgebouwd die bestand zijn tegen de zware omstandigheden in een kernreactor.

Wat dit project bijzonder spannend maakt, is de collaboratieve aanpak die Roy en zijn team hebben omarmd. Het project, dat de naam "Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management" (DREAM-TEAM) heeft gekregen, brengt enkele van de slimste geesten uit de academische wereld en overheidslaboratoria samen.

Naast Roy zijn Yachao Wang, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van North Dakota, en onderzoekers van drie van de meest prestigieuze laboratoria van het Amerikaanse ministerie van Energie: Ames National Laboratory, Argonne National Laboratory en Oak Ridge National Laboratory. Samen duiken ze diep in zowel de experimentele als theoretische aspecten van het 3D-printen van wolfraamlegeringen.

Dit multidisciplinaire team print niet alleen wolfraamonderdelen, maar maakt ook geavanceerde computersimulaties. Deze simulaties worden aangestuurd door machine learning en kunstmatige intelligentie, waardoor de onderzoekers kunnen voorspellen hoe verschillende wolfraamlegeringen zich zullen gedragen in de extreme omgevingen van kernreactoren. Deze holistische benadering, waarbij fysieke experimenten worden gecombineerd met geavanceerde computermodellen, onderscheidt het project.
Waarom wolfraam?

De unieke eigenschappen van wolfraam maken het een ideale kandidaat voor kernreactoren. Het hoge smeltpunt (ruim boven de 3400°C), de sterkte bij hoge temperaturen en de bestendigheid tegen neutronenbestraling zijn cruciaal om de zware omstandigheden in kernfusiereactoren te weerstaan. Bovendien is de lage retentie van radioactief tritium door wolfraam een ​​extra troef, waardoor het veiliger is voor langdurig gebruik.

Maar zoals Roy aangeeft, is er een addertje onder het gras. Wolfraam is moeilijk te verwerken met traditionele methoden vanwege de hardheid en broosheid, wat de productie aanzienlijk duurder maakt. Hier komt de belofte van 3D-printen om de hoek kijken. Door additieve productie te benutten, hoopt Roys team wolfraamlegeringen te creëren met aangepaste eigenschappen, geoptimaliseerd voor gebruik in fusiereactoren.

Kortom, ze printen niet alleen onderdelen; ze lossen een van de belangrijkste uitdagingen in de moderne nucleaire techniek op.
Barsten overwinnen met nieuwe legeringen

Een van de grootste hindernissen waarmee het team te maken krijgt, is barsten. Wolfraam heeft de neiging om te barsten tijdens traditionele productie en nog meer wanneer het wordt blootgesteld aan de spanningen van extreme hitte. Maar Roy laat zich niet afschrikken. De strategie van het team omvat het starten met puur wolfraam en het geleidelijk ontwikkelen van nieuwe wolfraamgebaseerde legeringen die speciaal zijn ontworpen om barsten onder dergelijke omstandigheden te weerstaan.

"Uiteindelijk zullen we nieuwe legeringen ontwikkelen om deze scheuruitdaging op te lossen,"

Door deze nieuwe wolfraamlegeringen te ontwikkelen, hoopt het team een ​​van de belangrijkste barrières te overwinnen om kernfusiereactoren een haalbare oplossing te maken voor grootschalige, schone energieproductie.
De rol van kernenergie in een schone energietoekomst

De rol van kernenergie in een schone energietoekomst

Volgens de U.S. Energy Information Administration levert kernenergie al ongeveer 19% van de elektriciteit in de VS, wat het de grootste bron van schone, emissievrije energie maakt. Windenergie is daarentegen goed voor ongeveer 10% van de energiemix van de VS. Maar hoewel wind- en zonne-energie de meeste aandacht krijgen, blijft kernenergie stilletjes een cruciale rol spelen bij het verkleinen van de wereldwijde CO2-voetafdruk.

Roy is zich hier terdege van bewust. "Een van de belangrijkste dingen die mij aan dit project opwindt, is het werken met kernenergie", zei hij. "Het is de grootste bron van schone energie in de Verenigde Staten. Deze emissievrije elektriciteit is belangrijk voor de toekomst."

Met de wereldwijde drang naar koolstofreductie blijft kernenergie een hoeksteen van de transitie naar schone energie, vooral als projecten zoals die van Roy reactoren veiliger, efficiënter en zuiniger kunnen maken.
Een miljoeneninspanning om onderzoekscapaciteiten op te bouwen

De subsidie ​​die Roys team ontving, is onderdeel van een groter initiatief van $ 36 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie, Established Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR). Dit programma is ontworpen om energiegerelateerde onderzoekscapaciteiten in de Verenigde Staten op te bouwen en samenwerkingen tussen universiteiten en nationale laboratoria te bevorderen.

Het bredere doel van EPSCoR is om innovatieve oplossingen te ontwikkelen voor de energie-uitdagingen van het land, en de additieve productie van wolfraamonderdelen voor kernreactoren is slechts een stukje van die puzzel. Door te investeren in projecten als deze, bevordert het ministerie van Energie niet alleen schone energietechnologieën, maar helpt het ook bij het opbouwen van de onderzoeksinfrastructuur die nodig is om het leiderschap van de VS op het gebied van wetenschap en techniek te behouden.
Een betere toekomst voor kernenergie

Nu Roy en zijn team hun werk voortzetten, zijn de potentiële voordelen van hun onderzoek verstrekkend. Door de kracht van additieve productie te benutten, willen ze de kosten verlagen, de veiligheid verbeteren en de efficiëntie van kernreactoren verhogen. Dit zijn belangrijke factoren die kernenergie aantrekkelijker maken in de strijd tegen klimaatverandering.

Dit project is een goed voorbeeld van hoe innovatieve techniek echte uitdagingen kan oplossen. De integratie van 3D-printen, geavanceerde materiaalkunde en computersimulaties biedt een blik op de toekomst van kernenergie, waar geavanceerde technologie voldoet aan de dringende behoefte aan schone, betrouwbare energie.
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