Fortschrittliche Fertigungstechniken wie das heißisostatische Pressen können dazu beitragen, Engpässe in der Lieferkette zu verringern und neue Gestaltungsmöglichkeiten in einem rasant wachsenden Nuklearsektor zu erschließen, sagt Ian Tough, Market Development Manager bei Bodycote.
Die Kernenergie spielt in modernen Energienetzen eine entscheidende Rolle, da sie zuverlässigen Grundlaststrom liefert, der an der Erzeugungsquelle keinerlei CO₂-Emissionen verursacht.
Da der weltweite Energieverbrauch weiter steigt, gewinnt die Kernenergie als Lösung auf der Angebotsseite zunehmend an Bedeutung und trägt zur Versorgungssicherheit bei. Statistiken der Internationalen Energieagentur zeigen, dass der Strombedarf bis 2030 voraussichtlich mindestens 2,5-mal so schnell wachsen wird wie der Gesamtenergiebedarf. Treiber hierfür sind der steigende Stromverbrauch der Industrie, die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen, der vermehrte Einsatz von Klimaanlagen sowie der Ausbau von Rechenzentren und KI. Dieser gestiegene Bedarf muss aus nachhaltigeren Quellen gedeckt werden, wobei die Kernenergie voraussichtlich eine größere Rolle spielen wird als je zuvor.
Infolgedessen befindet sich der Nuklearsektor im Wandel, da sich neue Investitionsströme und Reaktorkonzepte abzeichnen. Bislang war der Sektor von staatlich geförderten Megaprojekten geprägt, bei denen der Neubau von Kernkraftwerken Kosten in zweistelliger Milliardenhöhe verursachte und viele Jahre in Anspruch nahm. Der dringende Energiebedarf treibt jedoch die Entwicklung flexiblerer und skalierbarer Lösungen voran, insbesondere kleiner modularer Reaktoren (SMRs), deren Leistung in der Regel etwa ein Drittel derjenigen herkömmlicher Kernkraftwerke beträgt. Eine geringere Leistung erfordert einen geringeren Platzbedarf, was entscheidend ist, wenn sie vor Ort in unmittelbarer Nähe von Rechenzentren errichtet werden.
Amazon setzt auf SMRs, um Rechenzentren und KI mit CO₂-freiem, zuverlässigem Strom zu versorgen, und hat bereits Pläne für einen Reaktor in einer hochmodernen Kernkraftanlage im US-Bundesstaat Washington angekündigt. Unterdessen sucht die US-Armee nach potenziellen kommerziellen Anbietern für den Bau von Mikroreaktor-Kraftwerken an neun Militärstandorten.
Langfristig werden die Bemühungen, die fortgeschrittene Kernfusion – den Prozess, der die Sonne und andere Sterne antreibt – im Kraftwerksmaßstab voranzubringen, neue Möglichkeiten eröffnen, da weltweit Dutzende von Demonstrationsanlagen gebaut werden. Das Interesse an der Kerntechnik ist daher so groß wie nie zuvor, mit potenziellen Entwicklungen in zahlreichen Branchen und Anwendungsbereichen.
Einführung neuer Fertigungstechniken
Die Kernenergiebranche steht jedoch vor einem Problem. Die seit jeher schwankende Entwicklung beim Bau neuer Kernkraftwerke hat zu einer Konsolidierung der Zulieferbasis geführt, sodass nur noch eine begrenzte Anzahl erfahrener und qualifizierter Zulieferer übrig geblieben ist. Die geografische Konzentration wichtiger Produktionskapazitäten im Kernenergiebereich hat das Lieferrisiko in Zeiten zunehmender geopolitischer Unsicherheit zusätzlich erhöht.
Entscheidend ist, dass kritische Kernkraftkomponenten höchste Präzision und umfangreiche Qualitätskontrollen erfordern, was zu hohen Auftragsrückständen und langen Lieferzeiten führt. Bei einigen Guss- und Schmiedeteilen betragen die Wartezeiten viele Monate oder sogar Jahre, da eine begrenzte Anzahl von Lieferanten Mühe hat, mit der Nachfrage Schritt zu halten. Gleichzeitig erschweren die strengen Anforderungen an Kernkraftkomponenten die Skalierung herkömmlicher Fertigungsverfahren.
Genau hier könnte der verstärkte Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechniken den Ausschlag geben. Ein solcher Ansatz ist das pulvermetallurgische heißisostatische Pressen (PM-HIP), ein etabliertes Verfahren, das seit langem in kritischen Bereichen wie der Unterwasser-Öl- und Gasförderung, der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizin zum Einsatz kommt und bereits für die Verwendung gemäß nuklearen Vorschriften zugelassen ist. PM-HIP ist ein fortschrittliches Umformverfahren, bei dem unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen Metallkomponenten aus Pulverlegierungen in nahezu endkonturgetreuer Form mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. In nuklearen Anwendungen bietet es mehrere bahnbrechende Vorteile. Dazu gehören deutlich kürzere Vorlaufzeiten bei der Herstellung von Bauteilen in nahezu endkonturiger Form, da die Teile näher an der endgültigen Geometrie gefertigt werden können, was im Vergleich zu herkömmlichen Methoden den Bedarf an umfangreicher Bearbeitung, Schweißarbeiten und Nachbearbeitung reduziert. PM-HIP wird zudem durch eine ausgereifte, dezentralisierte Lieferantenbasis in den USA, Großbritannien und der EU unterstützt, was dazu beiträgt, viele der mit anderen Ansätzen verbundenen Engpässe in der Lieferkette zu mildern.
Auch technisch gibt es erhebliche Vorteile. PM-HIP kann die Leistungsfähigkeit von Bauteilen verbessern, indem es Komponenten ohne Risse oder Porosität herstellt. Zu Beginn wird atomisiertes Metallpulver in einen Blechbehälter gefüllt und anschließend unter isostatisch aufgebrachtem Argongasdruck (bis zu 45.000 psi) hohen Temperaturen (bis zu 2.000 °C) ausgesetzt. Unter diesen extremen Bedingungen, knapp unterhalb des Schmelzpunkts des Materials, verbindet sich das Pulver metallurgisch, wobei Porosität und innere Hohlräume beseitigt werden. Das Pulver wandelt sich in einen dichten Festkörper um, und die resultierende Mikrostruktur wird vollständig isotrop, sodass das Bauteil in allen Richtungen über das gesamte Teil hinweg einheitliche mechanische Eigenschaften aufweist. Diese feine, isotrope Mikrostruktur sorgt für festere, ermüdungsbeständige Bauteile – entscheidende technische Eigenschaften für Anwendungen im Nuklearbereich.
Eine größere Konstruktionsflexibilität ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der es Ingenieuren ermöglicht, die Konstruktion von Bauteilen mit Topologien neu zu überdenken, die mit anderen Verfahren wie Gießen oder Schmieden nicht realisierbar sind. Komplexe PM-HIP-Geometrien mit integrierten Merkmalen lassen sich leichter realisieren, wobei mehrere Teile zu einem einzigen Bauteil kombiniert werden können; sogar bimetallische Konstruktionen sind mit PM-HIP oder HIP-Diffusionsschweißen möglich. Dies kann zu weniger Schweißnähten und Prüfpunkten führen und dazu, dass Schweißnähte aus Bereichen mit hoher Beanspruchung verlegt werden, wodurch PM-HIP einen Übergang von der Fertigung hin zu einem integrierten Design ermöglicht. Um diese Vorteile zu realisieren, ist jedoch eine frühzeitige Einbindung bereits in der Konstruktionsphase sowie eine Abkehr vom traditionellen, fertigungsorientierten Denken erforderlich.
In Zukunft könnte PM-HIP sogar den Einsatz neuer Verfahren wie dem Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) mit direkter Energieabgabe unterstützen, bei dem Metallschichten übereinander aufgebracht werden, bis eine gewünschte 3D-Form entsteht. WAAM birgt ein erhebliches Potenzial für die Herstellung großer, hochoptimierter Metallbauteile, würde jedoch in vielen Fällen eine HIP-Nachbehandlung erfordern, um die Integrität sicherzustellen. In diesem Zusammenhang wird HIP zu einem entscheidenden Schritt, der die für Teile in Nuklearqualität erforderliche Dichte und Homogenität gewährleistet.
PM-HIP-Anwendungsfälle für die Kernenergie
Wie lassen sich diese Fähigkeiten nun auf potenzielle nukleare Anwendungen übertragen, bei denen Präzision, Zuverlässigkeit und Sicherheit unverzichtbar sind? Bei herkömmlichen Kernspaltungsreaktoren könnte PM-HIP zur Herstellung von Komponenten des Primärkreislaufs mit hoher Integrität eingesetzt werden, wie beispielsweise Rohrleitungen und Verbindungsstücke sowie Reaktoreinbauten und drucktragende Bauteile.
Es eignet sich zudem besonders gut für den SMR-Markt, wo Komponenten in kleinen bis mittleren Stückzahlen ohne kostspielige Werkzeuge oder veraltete Infrastruktur hergestellt werden können. Seine Kompatibilität mit modularen Konstruktionsprinzipien macht es zu einer attraktiven Option für zukünftige Reaktoren. Bei fortschrittlichen Fusionsreaktoren kann es unterdessen für Hochtemperatur- und Hochbelastungsplatten eingesetzt werden, wie bereits bei der Herstellung der plasmaexponierten Wandplatten für die ITER-Anlage in Cadarache in Südfrankreich gezeigt wurde.
Für missionskritische Komponenten im Inneren des ITER-Fusionsreaktors, wie beispielsweise das Blanket-System, ist das heißisostatische Pressen erforderlich, um den Reaktor abzuschirmen (Quelle: ITER)
Entscheidend ist, dass fortschrittliche Fertigungstechniken wie PM-HIP als Teil eines Technologieportfolios eingesetzt werden können, das die Leistung kerntechnischer Anlagen untermauert. So spielen beispielsweise auch Wärmebehandlung und Oberflächentechnik eine entscheidende Rolle dabei, sicherzustellen, dass jedes kerntechnische Bauteil die außerordentlich hohen Standards hinsichtlich Sicherheit, Rückverfolgbarkeit und Langzeitleistung unter extremen Betriebsbedingungen erfüllt. Die Materialverarbeitung bestimmt Eigenschaften wie Festigkeit, Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißverhalten und muss auf konsistente, vollständig kontrollierte und vorschriftsmäßige Weise erfolgen.
Bodycote eine strategische Kooperation Bodycote , um den Einsatz von HIP bei der Herstellung von Reaktorkomponenten unter Verwendung der von Blykalla entwickelten Materialien zu untersuchen (Quelle: Folk Studion)
Spezielle Wärmebehandlungen wie Überhärten, Anlassen, Auslagern, Lösungsglühen und Stabilisieren werden eingesetzt, um verschiedenen rostfreien Stählen und Bauteilen auf Nickelbasis die für den Einsatz erforderlichen Eigenschaften zu verleihen. Zu den typischen behandelten Bauteilen zählen Rohrleitungen, Pumpenelemente, Ringe und Wellen. Gleichzeitig spielt die Oberflächenbehandlung eine ebenso entscheidende Rolle, da sie Verschleiß, Korrosion und Festfressen in Schlüsselsystemen wie Steuerstabmechanismen verhindert, bei denen Zuverlässigkeit für den sicheren Reaktorbetrieb unerlässlich ist.
Kurz gesagt: Die moderne Kerntechnik ist auf ein technologisches Ökosystem angewiesen. Kein Bauteil gelangt ohne fortschrittliche Fertigung, kontrollierte Wärmebehandlung und Oberflächentechnik in einen Reaktor, und die Branche wird zunehmend auf ein globales Netzwerk metallurgischer Zulieferer angewiesen sein, die Lieferzeiten verkürzen, das Design verbessern, die Lebensdauer verlängern und langfristig kompromisslose Qualität liefern können.
Die Wahl des richtigen Produktionspartners
Es sind also spannende Zeiten für die Kernenergiebranche, da die Investitionen steigen und neue Reaktortypen Realität werden. Der zukünftige Erfolg der Branche wird jedoch von Schnelligkeit, Skalierbarkeit und Vertrauen abhängen.
Fortschrittliche thermische Verfahren werden bei dieser Entwicklung eine entscheidende Rolle spielen. Verfahren wie PM-HIP werden in Kombination mit Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungstechnologien neue Konstruktionsmöglichkeiten eröffnen, die Materialintegrität gewährleisten und Risiken sowie Verzögerungen in der Lieferkette verringern.
Bodycote der weltweit größte Anbieter von HIP-Fertigungskapazitäten, und unsere fortschrittlichen Wärmebehandlungstechnologien gewährleisten, dass missionskritische Komponenten auch unter extremsten Bedingungen zuverlässig funktionieren. Von hochintegrierten Reaktorbaugruppen und Komponenten für Fluidsysteme bis hin zu Fusionsforschungsbehältern – unser globales Netzwerk genießt das Vertrauen seiner Kunden, metallurgische Spitzenleistungen zu liefern, die eine kohlenstoffarme Energieversorgung, eine verlängerte Lebensdauer und kompromisslose Qualität ermöglichen.
Mit Blick auf die Zukunft Bodycote gut aufgestellt, um eine zentrale Rolle bei der Neugestaltung des Baus neuer Kernreaktoren zu spielen und anschließend dazu beizutragen, diese in großem Maßstab zu realisieren.
Dieser Artikel wurde erstmals von „Nuclear Engineering International“ veröffentlicht.