Las técnicas de producción avanzadas, como el prensado isostático en caliente, pueden ayudar a reducir los cuellos de botella en la cadena de suministro y abrir nuevas posibilidades de diseño en un sector nuclear en rápida expansión, afirma Ian Tough, director de desarrollo de mercado Bodycote.
La energía nuclear desempeña un papel fundamental en las redes energéticas modernas, ya que proporciona electricidad de carga base fiable sin emisiones de carbono en el punto de generación.
A medida que el consumo energético mundial sigue aumentando, la energía nuclear se está convirtiendo en una solución cada vez más importante desde el punto de vista de la oferta, lo que refuerza la fiabilidad de la red eléctrica. Las estadísticas de la Agencia Internacional de la Energía muestran que la demanda de electricidad va camino de crecer al menos 2,5 veces más rápido que la demanda energética total hasta 2030, impulsada por el aumento del consumo industrial de electricidad, la adopción continuada de vehículos eléctricos, un mayor uso del aire acondicionado y la expansión de los centros de datos y la inteligencia artificial. Este aumento de la demanda debe satisfacerse con fuentes más sostenibles, y se prevé que la energía nuclear adquiera una importancia mayor que nunca.
En consecuencia, el sector nuclear está evolucionando a medida que empiezan a surgir nuevas fuentes de inversión y nuevos diseños de reactores. Anteriormente, el sector se caracterizaba por megaproyectos respaldados por el Estado, en los que la construcción de nuevas centrales nucleares costaba decenas de miles de millones de dólares y tardaba muchos años en completarse. Sin embargo, las urgentes necesidades energéticas están impulsando la búsqueda de soluciones más flexibles y escalables, en particular los reactores modulares pequeños (SMR), que suelen tener una potencia de hasta aproximadamente un tercio de la de los reactores nucleares tradicionales. Una potencia menor requiere un espacio físico más reducido, lo cual es fundamental a la hora de construirlos in situ, junto a los centros de datos.
Amazon apuesta por los SMR para proporcionar energía fiable y libre de emisiones de carbono a los centros de datos y a la inteligencia artificial, y ya ha anunciado sus planes de construir un reactor en una instalación de energía nuclear avanzada en el estado de Washington(EE. UU.). Por su parte, el Ejército de los EE. UU. está buscando posibles proveedores comerciales para construir centrales eléctricas con microreactores en nueve instalaciones militares.
A largo plazo, los esfuerzos por avanzar en la fusión nuclear avanzada —el proceso que alimenta al Sol y a otras estrellas— a escala de central eléctrica generarán nuevas oportunidades a medida que se construyan docenas de plantas de demostración en todo el mundo. Por lo tanto, el interés por la tecnología nuclear se encuentra en su punto más alto, con posibles avances en múltiples sectores y aplicaciones.
Introducción de nuevas técnicas de producción
Sin embargo, el sector nuclear se enfrenta a un problema. El carácter históricamente «de altibajos» de la construcción de nuevas centrales nucleares ha provocado una consolidación en la cadena de suministro, lo que ha dejado un número reducido de proveedores con experiencia y cualificados. La concentración geográfica de las capacidades clave de producción nuclear ha agravado el riesgo de suministro en un contexto geopolítico cada vez más incierto.
Es fundamental señalar que los componentes nucleares críticos exigen una precisión extrema y exhaustivos controles de calidad, lo que se traduce en una elevada cartera de pedidos y largos plazos de entrega. Algunas piezas de fundición y forja tienen plazos de espera de muchos meses, o incluso años, ya que el número limitado de proveedores tiene dificultades para satisfacer la demanda. Al mismo tiempo, los estrictos requisitos de los componentes nucleares dificultan la ampliación de las vías de fabricación tradicionales.
Ahí es donde una mayor adopción de técnicas de producción avanzadas podría marcar la diferencia. Uno de estos enfoques es el prensado isostático en caliente (PM-HIP) mediante metalurgia de polvos, un proceso bien consolidado que cuenta con un largo historial de aplicación en sectores críticos como el del petróleo y el gas submarinos, el aeroespacial y el médico, y que ya cumple los requisitos para su uso según las normas nucleares. El PM-HIP es un proceso de conformado avanzado que utiliza alta presión y temperatura para producir componentes metálicos con una forma cercana a la definitiva a partir de aleaciones en polvo, con propiedades mecánicas excepcionales. En aplicaciones nucleares, ofrece varias ventajas transformadoras. Entre ellas se incluyen plazos de entrega significativamente más cortos para la producción de componentes con forma casi definitiva, ya que las piezas pueden fabricarse con una geometría más cercana a la final, lo que reduce la necesidad de un mecanizado, soldadura y posprocesamiento extensivos en comparación con los métodos tradicionales. El PM-HIP también cuenta con el respaldo de una base de suministro madura y distribuida en EE. UU., el Reino Unido y la UE, lo que ayuda a paliar muchas de las limitaciones de la cadena de suministro asociadas a otros enfoques.
También existen importantes ventajas técnicas. El proceso PM-HIP permite mejorar el rendimiento de las piezas al producir componentes libres de grietas o porosidad. En primer lugar, el polvo metálico atomizado se introduce en un recipiente de chapa y, a continuación, se somete a altas temperaturas (hasta 2.000 °C) bajo una presión de gas argón aplicada de forma isostática (hasta 45.000 psi). En estas condiciones extremas, justo por debajo del punto de fusión del material, el polvo se une metalúrgicamente, eliminando la porosidad y los huecos internos. El polvo se transforma en un sólido denso y la microestructura resultante se vuelve totalmente isotrópica, de modo que el componente presenta propiedades mecánicas uniformes en todas las direcciones a lo largo de toda la pieza. Esta microestructura fina e isotrópica da lugar a piezas más resistentes y resistentes a la fatiga, características técnicas fundamentales para aplicaciones nucleares.
Una mayor flexibilidad de diseño es también un factor importante, ya que permite a los ingenieros replantearse el diseño de los componentes con topologías que no son posibles con otras técnicas, como la fundición o la forja. Las geometrías complejas de PM-HIP con características incorporadas son más fáciles de conseguir, ya que permiten combinar varias piezas en un único componente; incluso los diseños bimetálicos son posibles con PM-HIP o con la unión por difusión HIP. Esto puede traducirse en un menor número de soldaduras y puntos de inspección, así como en alejar las soldaduras de las zonas sometidas a grandes tensiones, lo que permite que el PM-HIP suponga un cambio de la fabricación al diseño integrado. Sin embargo, para aprovechar estas ventajas es necesario intervenir desde el principio en la fase de diseño y alejarse de la mentalidad tradicional centrada en la fabricación.
En el futuro, el PM-HIP podría incluso permitir el uso de nuevas técnicas, como la fabricación aditiva por arco de hilo con deposición directa de energía (WAAM), que deposita capas de metal unas sobre otras hasta crear la forma 3D deseada. La WAAM tiene un gran potencial para la producción de piezas metálicas de gran tamaño y altamente optimizadas, pero en muchos casos requeriría un posprocesamiento mediante HIP para garantizar su integridad. En este contexto, el HIP se convierte en un paso fundamental, ya que garantiza la densidad y la homogeneidad necesarias para las piezas de grado nuclear.
Casos de uso de PM-HIP en el sector nuclear
Entonces, ¿cómo se traducen estas capacidades en posibles aplicaciones nucleares en las que la precisión, la fiabilidad y la seguridad son imprescindibles? En el caso de los reactores de fisión tradicionales, la tecnología PM-HIP podría utilizarse para fabricar componentes del circuito primario de alta integridad, como tuberías y conexiones, así como elementos internos del reactor y componentes de contención de presión.
Además, resulta especialmente adecuado para el mercado de los reactores de tamaño reducido (SMR), en el que los componentes pueden fabricarse en volúmenes bajos o medios sin necesidad de costosas herramientas de moldeo ni infraestructuras obsoletas. Su compatibilidad con los principios de construcción modular lo convierte en una opción atractiva para los reactores del futuro. Por otra parte, en el caso de los reactores de fusión avanzados, puede utilizarse para paneles de alta temperatura y alta carga, tal y como ya se ha demostrado con la producción de los paneles de la pared de contacto con el plasma para la instalación del ITER en Cadarache, en el sur de Francia.
Los componentes críticos para el funcionamiento del reactor de fusión ITER, como el sistema de manta, requieren un proceso de prensado isostático en caliente para blindar el reactor (Fuente: ITER)
Es fundamental destacar que las técnicas de producción avanzadas, como el PM-HIP, pueden utilizarse como parte de un conjunto de tecnologías capaces de respaldar el rendimiento nuclear. Por ejemplo, el tratamiento térmico y la ingeniería de superficies también desempeñan un papel fundamental a la hora de garantizar que cada componente nuclear cumpla con normas excepcionalmente exigentes en materia de seguridad, trazabilidad y rendimiento a largo plazo en entornos operativos extremos. El procesamiento de los materiales determina propiedades como la resistencia, la durabilidad, la resistencia a la corrosión y el comportamiento frente al desgaste, y debe llevarse a cabo de forma coherente, totalmente controlada y conforme a la normativa.
Bodycote una colaboración estratégica para evaluar el uso del proceso HIP en la fabricación de componentes de reactores utilizando los materiales patentados por Blykalla (Fuente: Folk Studion)
Se utilizan tratamientos térmicos específicos, como el enfriamiento rápido, el revenido, el envejecimiento, el recocido de solución y la estabilización, para dotar a los distintos aceros inoxidables y componentes a base de níquel de las propiedades de servicio necesarias. Entre las piezas tratadas más habituales se encuentran las tuberías, los elementos de las bombas, los anillos y los ejes. Por otra parte, la ingeniería de superficies desempeña un papel igualmente fundamental, ya que previene el desgaste, la corrosión y el agarrotamiento en sistemas clave como los mecanismos de las barras de control, donde la fiabilidad es esencial para el funcionamiento seguro del reactor.
En resumen, la fabricación nuclear avanzada se basa en un ecosistema tecnológico. Ningún componente entra en un reactor sin haber pasado por procesos de producción avanzados, un tratamiento térmico controlado y la ingeniería de superficies, y el sector dependerá cada vez más de una red global de proveedores metalúrgicos capaces de reducir los plazos de entrega, mejorar el diseño, prolongar la vida útil y ofrecer una calidad irreprochable a lo largo del tiempo.
Elegir al socio de producción adecuado
Por lo tanto, estamos viviendo una época apasionante en el sector nuclear, en la que aumentan las inversiones y los nuevos tipos de generadores se hacen realidad. Sin embargo, el éxito futuro de la industria dependerá de la rapidez, la escalabilidad y la confianza.
Los procesos térmicos avanzados desempeñarán un papel fundamental en esa evolución. Técnicas como el PM-HIP, en combinación con tecnologías de tratamiento térmico y de tratamiento de superficies, abrirán nuevas posibilidades de diseño, garantizarán la integridad de los materiales y reducirán los riesgos y retrasos en la cadena de suministro.
Bodycote el mayor operador de capacidad de fabricación HIP del mundo, y nuestras avanzadas tecnologías de tratamiento térmico garantizan que los componentes críticos para la misión funcionen de forma fiable en las condiciones más extremas. Desde conjuntos de reactor de alta integridad y componentes de sistemas de fluidos hasta recipientes para la investigación en fusión, nuestra red global goza de plena confianza para ofrecer excelencia metalúrgica que respalda la energía con bajas emisiones de carbono, una vida útil prolongada y una calidad sin concesiones.
De cara al futuro, Bodycote una posición idónea para desempeñar un papel fundamental a la hora de replantear la forma en que se construyen los nuevos reactores nucleares y, posteriormente, contribuir a su implantación a gran escala.
Este artículo se publicó por primera vez en Nuclear Engineering International.