Avancerede produktionsteknikker såsom hot isostatic pressing kan bidrage til at mindske flaskehalse i forsyningskæden og åbne op for nye designmuligheder i en hurtigt voksende atomkraftsektor, siger Ian Tough, markedsudviklingschef hos Bodycote
Kerneenergi spiller en afgørende rolle i moderne energinet, idet den leverer pålidelig baselaststrøm uden CO₂-udledning ved produktionsstedet.
I takt med at det globale energiforbrug fortsætter med at stige, bliver kernekraft en stadig vigtigere løsning på udbudssiden, der understøtter elnettets pålidelighed. Statistikker fra Det Internationale Energiagentur viser, at efterspørgslen efter elektricitet er på vej til at vokse mindst 2,5 gange så hurtigt som den samlede energieftererspørgsel frem til 2030, drevet af stigende industriel elforbrug, den fortsatte udbredelse af elbiler, øget brug af klimaanlæg samt udvidelsen af datacentre og kunstig intelligens. Denne øgede efterspørgsel skal dækkes af mere bæredygtige kilder, og her forventes kernekraft at få en større rolle end nogensinde før.
Derfor er atomkraftsektoren under forandring, efterhånden som nye investeringsstrømme og reaktordesign begynder at dukke op. Tidligere var sektoren præget af statsstøttede megaprojekter, hvor opførelsen af nye atomkraftværker kostede titusindvis af milliarder dollars og tog mange år at færdiggøre. Imidlertid skaber det presserende energibehov et behov for mere fleksible og skalerbare løsninger, især små modulære reaktorer (SMR'er), som typisk har en effekt på op til cirka en tredjedel af traditionelle atomkraftreaktorer. En mindre effekt kræver et mindre fysisk fodaftryk, hvilket er afgørende, når de skal opføres på stedet i umiddelbar nærhed af datacentre.
Amazon satser på SMR’er for at kunne levere kulstoffri og pålidelig strøm til datacentre og kunstig intelligens og har allerede offentliggjort planer om en reaktor på et avanceret atomkraftanlæg i delstaten Washington i USA. Samtidig er den amerikanske hær på udkig efter potentielle kommercielle leverandører til at opføre mikroreaktor-kraftværker på ni militære anlæg.
På længere sigt vil bestræbelserne på at udvikle avanceret kernefusion – den proces, der driver Solen og andre stjerner – i kraftværksstørrelse skabe nye muligheder, i takt med at der opføres snesevis af demonstrationsanlæg verden over. Interessen for nuklear teknologi er således større end nogensinde før, med potentiale for udvikling på tværs af flere brancher og anvendelsesområder.
Indførelse af nye produktionsteknikker
Atomkraftindustrien står imidlertid over for et problem. Den historiske tendens til »op- og nedture« i opførelsen af nye atomkraftværker har ført til en konsolidering blandt leverandørerne, hvilket har resulteret i et begrænset antal erfarne og kvalificerede leverandører. Den geografiske koncentration af centrale produktionskapaciteter inden for atomkraft har yderligere øget leveringsrisikoen i en tid præget af stigende geopolitisk usikkerhed.
Det er afgørende, at kritiske komponenter til atomkraft kræver ekstrem præcision og omfattende kvalitetskontrol, hvilket medfører store ordrerestancer og lange leveringstider. For visse støbegods- og smedegodsdele er ventetiden på mange måneder eller endda år, da et begrænset antal leverandører har svært ved at følge med efterspørgslen. Samtidig gør de strenge krav til komponenter til atomkraft det vanskeligt at opskalere traditionelle produktionsmetoder.
Det er her, at en øget anvendelse af avancerede produktionsteknikker kan gøre en forskel. En sådan metode er pulvermetallurgisk hot isostatisk presning (PM-HIP), en veletableret proces, der har en lang historie inden for anvendelse i kritiske sektorer såsom undersøisk olie og gas, rumfart og medicin, og som allerede er godkendt til brug i henhold til nukleare standarder. PM-HIP er en avanceret formningsproces, der bruger højt tryk og høje temperaturer til at fremstille metalkomponenter i næsten færdig form ud fra pulverlegeringer med fremragende mekaniske egenskaber. I nukleare anvendelser giver det adskillige banebrydende fordele. Disse omfatter væsentligt kortere leveringstider for produktion af komponenter med næsten færdig form, da delene kan fremstilles tættere på den endelige geometri, hvilket reducerer behovet for omfattende bearbejdning, svejsning og efterbehandling sammenlignet med traditionelle metoder. PM-HIP understøttes desuden af en veludviklet, distribueret leverandørbase i USA, Storbritannien og EU, hvilket er med til at afhjælpe mange af de begrænsninger i forsyningskæden, der er forbundet med andre tilgange.
Der er også betydelige tekniske fordele. PM-HIP kan forbedre komponenternes ydeevne ved at fremstille komponenter uden revner eller porøsitet. Først fyldes forstøvet metalpulver i en beholder af plademetal, hvorefter det udsættes for høje temperaturer (op til 2.000 °C) under isostatisk påført argongastryk (op til 45.000 psi). Under disse ekstreme forhold, lige under materialets smeltepunkt, bindes pulveret metallurgisk sammen, hvorved porøsitet og indre hulrum fjernes. Pulveret omdannes til et tæt fast stof, og den resulterende mikrostruktur bliver fuldstændig isotrop, hvilket betyder, at komponenten udviser ensartede mekaniske egenskaber i alle retninger i hele emnet. Denne fine, isotrope mikrostruktur resulterer i stærkere, udmattelsesbestandige emner – afgørende tekniske egenskaber til anvendelse inden for atomkraft.
Større designfleksibilitet er også en vigtig faktor, da den giver ingeniører mulighed for at nytænke komponentdesignet med topologier, der ikke er mulige med andre teknikker, såsom støbning eller smedning. Komplekse PM-HIP-geometrier med integrerede detaljer er nemmere at realisere, idet flere dele kan kombineres i én enkelt komponent; selv bimetalliske designs er mulige med PM-HIP eller HIP-diffusionsbinding. Dette kan medføre færre svejsninger og inspektionspunkter samt placering af svejsninger væk fra områder med høj belastning, hvorved PM-HIP muliggør et skift fra fremstilling til integreret design. For at udnytte disse fordele kræves der dog tidlig inddragelse i designfasen og en afvigelse fra den traditionelle fremstillingsorienterede tankegang.
I fremtiden vil PM-HIP muligvis endda understøtte brugen af nye teknikker såsom Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) med direkte energitilførsel, hvor der aflejres lag af metal oven på hinanden, indtil den ønskede 3D-form er skabt. WAAM har et betydeligt potentiale til fremstilling af store, højt optimerede metaldele, men vil i mange tilfælde kræve HIP-efterbehandling for at sikre delens integritet. I denne sammenhæng bliver HIP et afgørende trin, der sikrer den tæthed og konsistens, der kræves til komponenter af nuklear kvalitet.
Anvendelsestilfælde for PM-HIP inden for atomkraft
Hvordan kan disse egenskaber så udnyttes i potentielle nukleare anvendelser, hvor præcision, pålidelighed og sikkerhed er ufravigelige krav? I forbindelse med traditionelle fissionsreaktorer kan PM-HIP anvendes til fremstilling af komponenter til primærkredsløbet med høj integritet, såsom rørsystemer og tilslutninger, samt reaktorindvendige dele og trykholdende komponenter.
Den er også særdeles velegnet til SMR-markedet, hvor komponenter kan fremstilles i små til mellemstore mængder uden kostbare værktøjer eller forældet infrastruktur. Dens kompatibilitet med modulære konstruktionsprincipper gør den til et attraktivt valg for fremtidige reaktorer. Hvad angår avancerede fusionsreaktorer, kan den desuden anvendes til paneler, der skal modstå høje temperaturer og store belastninger, hvilket allerede er blevet demonstreret gennem produktionen af de plasmaeksponerede vægpaneler til ITER-anlægget i Cadarache i det sydlige Frankrig.
Missionskritiske komponenter inde i ITER-fusionsreaktoren, såsom blanket-systemet, kræver varm isostatisk presning for at afskærme reaktoren (Kilde: ITER)
Det er afgørende, at avancerede produktionsteknikker som PM-HIP kan indgå i en vifte af teknologier, der kan understøtte ydeevnen inden for kernekraft. For eksempel spiller varmebehandling og overfladebehandling også en afgørende rolle for at sikre, at hver eneste komponent i et kernekraftanlæg opfylder særdeles strenge standarder for sikkerhed, sporbarhed og langsigtet ydeevne i ekstreme driftsmiljøer. Materialebehandlingen bestemmer egenskaber som styrke, holdbarhed, korrosionsbestandighed og slidstyrke og skal udføres på en ensartet, fuldt kontrolleret og regeloverholdende måde.
Bodycote et strategisk samarbejde med henblik på at undersøge anvendelsen af HIP til fremstilling af reaktorkomponenter ved hjælp af Blykallas egne materialer (Kilde: Folk Studion)
Specifikke varmebehandlinger, såsom overhærdning, anløbning, ældning, opløsningsglødning og stabilisering, anvendes til at give forskellige rustfrie stål og nikkelbaserede komponenter de egenskaber, der kræves under drift. Typiske behandlede dele omfatter rørledninger, pumpeelementer, ringe og aksler. Samtidig spiller overfladebehandling en lige så afgørende rolle ved at forhindre slid, korrosion og fastklæbning i nøglesystemer såsom styrestangsmekanismer, hvor pålidelighed er afgørende for en sikker reaktordrift.
Kort sagt er avanceret fremstilling af nukleare komponenter afhængig af et teknologisk økosystem. Ingen komponenter kommer ind i en reaktor uden avanceret produktion, kontrolleret termisk behandling og overfladebehandling, og branchen vil i stigende grad være afhængig af et globalt netværk af metallurgiske leverandører, der kan reducere leveringstiderne, forbedre designet, forlænge levetiden og levere kompromisløs kvalitet over tid.
Valg af den rette produktionspartner
Det er altså spændende tider inden for atomkraftsektoren, hvor investeringerne stiger, og nye typer kraftværker bliver en realitet. Branchens fremtidige succes vil dog afhænge af hastighed, skalerbarhed og tillid.
Avanceret termisk bearbejdning vil spille en afgørende rolle i denne udvikling. Teknikker som PM-HIP vil, i kombination med varmebehandlings- og overfladebehandlingsteknologier, åbne op for nye designmuligheder, sikre materialets integritet og mindske risici og forsinkelser i forsyningskæden.
Bodycote verdens største udbyder af HIP-produktionskapacitet, og vores avancerede teknologier til termisk behandling sikrer, at missionskritiske komponenter fungerer pålideligt under selv de mest ekstreme forhold. Fra reaktorkomponenter med høj integritet og udstyr til væskesystemer til fusionsforskningsbeholdere – vores globale netværk er kendt for at levere metallurgisk ekspertise, der understøtter kulstoffattig energi, forlænget levetid og kompromisløs kvalitet.
Fremadrettet Bodycote godt rustet til at spille en central rolle i at nytænke, hvordan nye atomreaktorer bygges, og derefter bidrage til at realisere dem i stor skala.
Denne artikel blev første gang offentliggjort i Nuclear Engineering International