Pokročilé výrobní techniky, jako je izostatické lisování za tepla, mohou pomoci omezit úzká místa v dodavatelském řetězci a otevřít nové možnosti v oblasti konstrukce v rychle se rozvíjejícím jaderném odvětví, říká Ian Tough, manažer pro rozvoj trhu ve společnosti Bodycote
Jaderná energetika hraje v moderních energetických sítích klíčovou roli, neboť zajišťuje spolehlivou elektřinu pro pokrytí základního zatížení bez emisí uhlíku přímo u zdroje.
Vzhledem k tomu, že celosvětová spotřeba energie neustále roste, stává se jaderná energie stále důležitějším řešením na straně nabídky, které zajišťuje spolehlivost energetické sítě. Statistiky Mezinárodní energetické agentury ukazují, že poptávka po elektřině poroste do roku 2030 nejméně 2,5krát rychleji než celková poptávka po energii, a to v důsledku rostoucí spotřeby elektřiny v průmyslu, pokračujícího rozmachu elektromobilů, častějšího využívání klimatizace a rozšiřování datových center a umělé inteligence. Tyto zvýšené nároky je třeba uspokojit z udržitelnějších zdrojů, přičemž se očekává, že jaderná energie bude hrát významnější roli než kdykoli předtím.
V důsledku toho prochází jaderný sektor vývojem, jelikož se začínají objevovat nové investiční toky a nové konstrukční typy reaktorů. Dříve se tento sektor vyznačoval státem podporovanými megaprojekty, přičemž výstavba nových jaderných elektráren stála desítky miliard dolarů a trvala mnoho let. Naléhavá poptávka po energii však vede k tlaku na flexibilnější a škálovatelnější řešení, zejména na malé modulární reaktory (SMR), jejichž výkon obvykle dosahuje zhruba jedné třetiny výkonu tradičních jaderných reaktorů. Nižší výkon vyžaduje menší zábor prostoru, což je klíčové při jejich výstavbě přímo v areálu datových center.
Společnost Amazon sází na malé modulární reaktory (SMR), které mají zajistit bezuhlíkovou a spolehlivou energii pro datová centra a umělou inteligenci, a již oznámila plány na výstavbu reaktoru v moderním jaderném energetickém zařízení ve státě Washington v USA. Americká armáda mezitím hledá potenciální komerční dodavatele pro výstavbu elektráren s mikroreaktory v devíti vojenských zařízeních.
Z dlouhodobého hlediska přinesou snahy o pokrok v oblasti pokročilé jaderné fúze – procesu, který pohání Slunce a další hvězdy – v měřítku elektráren nové příležitosti, jelikož se po celém světě staví desítky demonstračních elektráren. Zájem o jadernou technologii je tedy na historickém maximu a nabízí potenciál pro rozvoj v celé řadě odvětví a aplikací.
Zavádění nových výrobních technik
Jaderný průmysl však čelí problému. Historická cyklickost výstavby nových jaderných elektráren, charakterizovaná střídáním období rozmachu a útlumu, vedla ke konsolidaci dodavatelské základny, v důsledku čehož zůstává k dispozici pouze omezený počet zkušených a kvalifikovaných dodavatelů. Geografická koncentrace klíčových výrobních kapacit v jaderném odvětví navíc zvyšuje riziko v oblasti dodávek v době stále větší geopolitické nejistoty.
Zásadní je, že kritické jaderné komponenty vyžadují mimořádnou přesnost a rozsáhlé kontroly kvality, což vede k velkému množství nevyřízených objednávek a dlouhým dodacím lhůtám. U některých odlitků a výkovků činí čekací doby mnoho měsíců, či dokonce let, protože omezený počet dodavatelů má potíže udržet krok s poptávkou. Zároveň přísné požadavky kladené na jaderné komponenty ztěžují rozšíření tradičních výrobních postupů.
Právě v tomto ohledu by mohlo širší zavádění pokročilých výrobních technik přinést zásadní změnu. Jedním z takových přístupů je prášková metalurgie s izostatickým lisováním za tepla (PM-HIP), osvědčený proces, který má dlouhou historii použití v kritických odvětvích, jako je podmořská těžba ropy a zemního plynu, letecký a kosmický průmysl a zdravotnictví, a který již splňuje požadavky pro použití v souladu s jadernými normami. PM-HIP je pokročilý tvářecí proces, který využívá vysoký tlak a teplotu k výrobě kovových komponentů s tvarem blízkým konečnému z práškových slitin s vynikajícími mechanickými vlastnostmi. V jaderných aplikacích přináší tento proces několik zásadních výhod. Patří mezi ně výrazně kratší dodací lhůty při výrobě součástí s tvarem blízkým konečnému, jelikož díly lze vyrábět v geometrii bližší konečnému tvaru, což ve srovnání s tradičními metodami snižuje potřebu rozsáhlého obrábění, svařování a následného zpracování. PM-HIP je rovněž podporován vyspělou a rozptýlenou dodavatelskou základnou v USA, Velké Británii a EU, což pomáhá zmírnit mnohá omezení dodavatelského řetězce spojená s jinými přístupy.
Existují také významné technické výhody. Technologie PM-HIP umožňuje dosáhnout lepšího výkonu dílů tím, že vyrábí komponenty bez trhlin a pórovitosti. Na začátku se atomizovaný kovový prášek naplní do plechové nádoby a poté je vystaven vysokým teplotám (až 2 000 °C) pod izostaticky vyvíjeným tlakem argonu (až 45 000 psi). Za těchto extrémních podmínek, těsně pod bodem tání materiálu, dochází k metalurgickému spojení prášku, přičemž jsou odstraněny póry a vnitřní dutiny. Prášek se přemění na hustou pevnou látku a výsledná mikrostruktura se stane plně izotropní, díky čemuž má součástka jednotné mechanické vlastnosti ve všech směrech po celé své ploše. Tato jemná, izotropní mikrostruktura zajišťuje pevnější součástky odolné proti únavě – což jsou klíčové technické vlastnosti pro použití v jaderné energetice.
Důležitým faktorem je také větší flexibilita při navrhování, která umožňuje inženýrům přehodnotit konstrukci součástí s využitím topologií, které nejsou možné u jiných technik, jako je odlévání nebo kování. Složitější geometrie získané technologií PM-HIP s integrovanými prvky lze snáze realizovat, přičemž lze kombinovat více dílů do jediného komponentu; pomocí PM-HIP nebo HIP difúzního spojování jsou možné dokonce i bimetalické konstrukce. To může vést k menšímu počtu svarů a kontrolních bodů a k přesunutí svarů mimo oblasti s vysokým namáháním, čímž technologie PM-HIP umožňuje přechod od výroby k integrovanému návrhu. K dosažení těchto výhod je však nutné zapojit se již v rané fázi návrhu a opustit tradiční způsob uvažování zaměřený na výrobu.
V budoucnu by technologie PM-HIP mohla dokonce umožnit využití nových technik, jako je aditivní výroba pomocí obloukového nanášení kovu (WAAM), při které se vrstvy kovu nanášejí jedna na druhou, dokud nevznikne požadovaný 3D tvar. Technologie WAAM má značný potenciál pro výrobu velkých, vysoce optimalizovaných kovových dílů, avšak v mnoha případech by vyžadovala následné zpracování metodou HIP, aby byla zajištěna jejich integrita. V této souvislosti se HIP stává klíčovým krokem, který zajišťuje hustotu a konzistenci požadovanou pro díly určené pro jaderné aplikace.
Příklady využití systému PM-HIP v jaderné energetice
Jak se tedy tyto schopnosti promítají do potenciálních jaderných aplikací, kde jsou přesnost, spolehlivost a bezpečnost nezbytnými předpoklady? U tradičních štěpných reaktorů by se technologie PM-HIP mohla využít k výrobě vysoce odolných součástí primárního okruhu, jako jsou potrubí a spojky, stejně jako vnitřních součástí reaktoru a tlakových prvků.
Je také obzvláště vhodná pro trh s malými modulárními reaktory (SMR), kde lze komponenty vyrábět v malých až středních sériích bez nákladných výrobních nástrojů či zastaralé infrastruktury. Díky své kompatibilitě s principy modulární konstrukce představuje atraktivní volbu pro budoucí reaktory. V případě pokročilých fúzních reaktorů lze tuto technologii využít pro panely odolávající vysokým teplotám a velkému zatížení, jak již bylo prokázáno při výrobě panelů stěn vystavených plazmatu pro zařízení ITER v Cadarache v jižní Francii.
Komponenty kritické pro provoz uvnitř fúzního reaktoru ITER, jako je například systém pláště, vyžadují použití technologie horkého izostatického lisování, aby bylo možné reaktor odstínit (Zdroj: ITER)
Zásadní je, že pokročilé výrobní techniky, jako je PM-HIP, lze využít jako součást souboru technologií, které mohou podpořit výkon jaderných zařízení. Například tepelné zpracování a povrchové úpravy rovněž hrají klíčovou roli při zajišťování toho, aby každá jaderná součást splňovala mimořádně náročné normy v oblasti bezpečnosti, sledovatelnosti a dlouhodobého výkonu v extrémních provozních podmínkách. Zpracování materiálu určuje vlastnosti, jako je pevnost, trvanlivost, odolnost proti korozi a odolnost proti opotřebení, a musí být prováděno konzistentním, plně kontrolovaným a normám vyhovujícím způsobem.
Bodycote strategickou spolupráci s cílem posoudit využití technologie HIP při výrobě komponentů reaktorů s využitím patentovaných materiálů společnosti Blykalla (Zdroj: Folk Studion)
K zajištění požadovaných provozních vlastností různých druhů nerezových ocelí a komponentů na bázi niklu se používají specifické tepelné úpravy, jako je přetvrzování, popouštění, stárnutí, žíhání pro vytvoření roztoku a stabilizace. Mezi typické tepelně upravené díly patří potrubí, prvky čerpadel, kroužky a hřídele. Stejně důležitou roli přitom hraje povrchová úprava, která zabraňuje opotřebení, korozi a zadírání v klíčových systémech, jako jsou mechanismy regulačních tyčí, kde je spolehlivost nezbytná pro bezpečný provoz reaktoru.
Stručně řečeno, pokročilá výroba v jaderném průmyslu se opírá o technologický ekosystém. Žádná součástka se nedostane do reaktoru bez pokročilé výroby, řízeného tepelného zpracování a povrchové úpravy, a toto odvětví bude stále více závislé na globální síti dodavatelů v oblasti metalurgie, kteří dokážou zkrátit dodací lhůty, vylepšit konstrukci, prodloužit životnost a dlouhodobě zajišťovat bezkompromisní kvalitu.
Výběr správného výrobního partnera
V jaderném odvětví tedy právě prožíváme vzrušující období, kdy rostou investice a nové typy generátorů se stávají realitou. Budoucí úspěch tohoto odvětví však bude záviset na rychlosti, škálovatelnosti a důvěře.
V tomto vývoji budou hrát klíčovou roli pokročilé technologie tepelného zpracování. Techniky jako PM-HIP v kombinaci s technologiemi tepelného a povrchového zpracování otevřou nové možnosti v oblasti konstrukce, zajistí integritu materiálu a sníží rizika a zpoždění v dodavatelském řetězci.
Bodycote největším provozovatelem výrobních kapacit pro HIP na světě a naše pokročilé technologie tepelného zpracování zajišťují, že součásti zásadního významu spolehlivě fungují i v těch nejextrémnějších podmínkách. Ať už se jedná o vysoce bezpečné reaktorové sestavy, součásti fluidních systémů nebo nádoby pro výzkum jaderné fúze, naše globální síť je uznávaná pro svou metalurgickou dokonalost, která podporuje nízkouhlíkovou energetiku, prodlouženou životnost a bezkompromisní kvalitu.
S ohledem na budoucnost Bodycote vynikající předpoklady k tomu, aby sehrála klíčovou roli při přetváření způsobu výstavby nových jaderných reaktorů a následně pomohla zajistit jejich realizaci ve velkém měřítku.
Tento článek poprvé vyšel v časopise Nuclear Engineering International