Tecniche di produzione avanzate come la pressatura isostatica a caldo possono contribuire a ridurre le strozzature nella catena di approvvigionamento e aprire nuove possibilità di progettazione in un settore nucleare in rapida espansione, afferma Ian Tough, responsabile dello sviluppo del mercato presso Bodycote
L'energia nucleare svolge un ruolo fondamentale nelle reti energetiche moderne, fornendo energia elettrica di base affidabile con emissioni di carbonio pari a zero alla fonte.
Con il continuo aumento del consumo energetico globale, il nucleare sta diventando una soluzione sempre più importante dal punto di vista dell’offerta, garantendo l’affidabilità della rete elettrica. Le statistiche dell’Agenzia internazionale per l’energia mostrano che la domanda di elettricità è destinata a crescere almeno 2,5 volte più rapidamente rispetto all’aumento della domanda energetica complessiva fino al 2030, trainata dall’aumento del consumo industriale di elettricità, dalla continua diffusione dei veicoli elettrici, dal maggiore utilizzo dei sistemi di climatizzazione e dall’espansione dei data center e dell’intelligenza artificiale. Queste crescenti esigenze devono essere soddisfatte da fonti più sostenibili, e si prevede che l’energia nucleare assumerà un ruolo più importante che mai.
Di conseguenza, il settore nucleare si sta evolvendo con l’emergere di nuovi flussi di investimento e di nuovi modelli di reattori. In passato, il settore era caratterizzato da megaprogetti sostenuti dallo Stato, con la costruzione di nuove centrali nucleari che costava decine di miliardi di dollari e richiedeva molti anni per essere completata. Tuttavia, le urgenti esigenze energetiche stanno spingendo verso soluzioni più flessibili e scalabili, in particolare i piccoli reattori modulari (SMR), che in genere hanno una potenza pari a circa un terzo di quella dei reattori nucleari tradizionali. Una potenza inferiore richiede un ingombro fisico minore, aspetto fondamentale quando si tratta di costruirli in loco, in prossimità dei data center.
Amazon punta sugli SMR per fornire energia affidabile e a zero emissioni di carbonio ai data center e all’intelligenza artificiale, e ha già annunciato l’intenzione di realizzare un reattore presso un impianto nucleare all’avanguardia nello Stato di Washington, negli Stati Uniti. Nel frattempo, l’Esercito degli Stati Uniti sta cercando potenziali fornitori commerciali per la costruzione di centrali elettriche a microreattori in nove installazioni militari.
Nel lungo termine, gli sforzi volti a far progredire la fusione nucleare avanzata – il processo che alimenta il Sole e le altre stelle – su scala industriale creeranno nuove opportunità grazie alla costruzione di decine di impianti dimostrativi in tutto il mondo. L’interesse per la tecnologia nucleare è quindi ai massimi storici, con potenziali sviluppi in numerosi settori e applicazioni.
Introduzione di nuove tecniche di produzione
Tuttavia, il settore nucleare deve affrontare un problema. La storica natura altalenante della costruzione di nuove centrali nucleari ha determinato un consolidamento della base di approvvigionamento, lasciando un numero limitato di fornitori esperti e qualificati. La concentrazione geografica delle principali capacità produttive nel settore nucleare ha ulteriormente aggravato il rischio di approvvigionamento in un contesto geopolitico sempre più incerto.
È fondamentale sottolineare che i componenti nucleari critici richiedono estrema precisione e controlli di qualità approfonditi, il che comporta un elevato volume di ordini arretrati e tempi di consegna prolungati. Per alcuni pezzi fusi e forgiati i tempi di attesa possono arrivare a molti mesi, o addirittura anni, poiché il numero limitato di fornitori fatica a tenere il passo con la domanda. Allo stesso tempo, i rigorosi requisiti dei componenti nucleari rendono difficile l’ampliamento dei processi produttivi tradizionali.
È proprio qui che una maggiore diffusione delle tecniche di produzione avanzate potrebbe fare la differenza. Uno di questi approcci è la pressatura isostatica a caldo (PM-HIP) nella metallurgia delle polveri, un processo consolidato che vanta una lunga storia di applicazioni in settori critici quali quello petrolifero e del gas sottomarino, aerospaziale e medico, ed è già qualificato per l’uso secondo le norme nucleari. La PM-HIP è un processo di formatura avanzato che utilizza alta pressione e temperatura per produrre componenti metallici near-net-shape a partire da leghe in polvere, con proprietà meccaniche eccezionali. Nelle applicazioni nucleari, offre numerosi vantaggi rivoluzionari. Tra questi vi sono tempi di consegna significativamente più brevi per la produzione di componenti quasi finiti, poiché i pezzi possono essere realizzati con una geometria più vicina a quella finale, riducendo la necessità di lavorazioni meccaniche, saldature e post-lavorazioni estese rispetto ai metodi tradizionali. Il PM-HIP è inoltre supportato da una base di fornitura matura e distribuita negli Stati Uniti, nel Regno Unito e nell’Unione Europea, il che contribuisce ad alleviare molti dei vincoli della catena di approvvigionamento associati ad altri approcci.
Ci sono anche notevoli vantaggi tecnici. Il processo PM-HIP è in grado di garantire prestazioni migliori dei componenti, producendo pezzi privi di crepe o porosità. Inizialmente, la polvere metallica atomizzata viene caricata in un contenitore di lamiera e quindi sottoposta ad alte temperature (fino a 2.000 °C) sotto la pressione isostatica di gas argon (fino a 45.000 psi). In queste condizioni estreme, appena al di sotto del punto di fusione del materiale, la polvere si lega metallurgicamente, eliminando porosità e vuoti interni. La polvere si trasforma in un solido denso e la microstruttura risultante diventa completamente isotropa, con il componente che presenta proprietà meccaniche uniformi in tutte le direzioni su tutta la parte. Questa microstruttura fine e isotropa produce parti più resistenti e resistenti alla fatica – caratteristiche tecniche fondamentali per le applicazioni nel settore nucleare.
Anche una maggiore flessibilità progettuale rappresenta un fattore importante, consentendo agli ingegneri di ripensare la progettazione dei componenti con topologie impossibili da realizzare con altre tecniche, come la fusione o la forgiatura. È più facile ottenere geometrie PM-HIP complesse con caratteristiche integrate, combinando più parti in un unico componente; con il PM-HIP o l’HIP Diffusion Bonding sono possibili persino progetti bimetallici. Ciò può tradursi in un minor numero di saldature e punti di ispezione, nonché nell’allontanamento delle saldature dalle zone soggette a elevate sollecitazioni; il PM-HIP consente quindi il passaggio dalla semplice fabbricazione a una progettazione integrata. Tuttavia, per ottenere questi vantaggi è necessario un coinvolgimento sin dalle prime fasi di progettazione e un allontanamento dal tradizionale approccio incentrato sulla fabbricazione.
In futuro, il PM-HIP potrebbe persino supportare l’uso di nuove tecniche come la produzione additiva ad arco con filo (WAAM) a deposizione diretta di energia, che deposita strati di metallo uno sopra l’altro fino a creare la forma 3D desiderata. La WAAM presenta un potenziale significativo per la produzione di parti metalliche di grandi dimensioni e altamente ottimizzate, ma in molti casi richiederebbe una post-lavorazione HIP per garantirne l’integrità. In questo contesto, l’HIP diventa una fase fondamentale, garantendo la densità e l’uniformità richieste per i componenti di grado nucleare.
Casi d'uso del PM-HIP nel settore nucleare
In che modo, quindi, queste capacità si traducono in potenziali applicazioni nucleari in cui precisione, affidabilità e sicurezza sono requisiti imprescindibili? Per i reattori a fissione tradizionali, la tecnologia PM-HIP potrebbe essere utilizzata per produrre componenti del circuito primario ad alta integrità, quali tubazioni e raccordi, oltre a componenti interni del reattore e componenti di contenimento della pressione.
È inoltre particolarmente adatta al mercato dei reattori di piccola e media potenza (SMR), dove i componenti possono essere prodotti in volumi da bassi a medi senza ricorrere a costose attrezzature o infrastrutture preesistenti. La sua compatibilità con i principi della costruzione modulare la rende un’opzione interessante per i reattori del futuro. Nel contempo, per i reattori a fusione avanzati, può essere utilizzata per pannelli ad alta temperatura e ad alto carico, come già dimostrato dalla produzione dei pannelli della parete esposta al plasma per l’impianto ITER a Cadarache, nel sud della Francia.
I componenti fondamentali all'interno del reattore a fusione ITER, come il sistema di rivestimento, richiedono la pressatura isostatica a caldo per schermare il reattore (Fonte: ITER)
Fondamentalmente, le tecniche di produzione avanzate come il PM-HIP possono essere utilizzate come parte di un insieme di tecnologie in grado di sostenere le prestazioni nucleari. Ad esempio, anche il trattamento termico e l’ingegneria delle superfici svolgono un ruolo fondamentale nel garantire che ogni componente nucleare soddisfi standard eccezionalmente rigorosi in materia di sicurezza, tracciabilità e prestazioni a lungo termine in ambienti operativi estremi. La lavorazione dei materiali determina proprietà quali resistenza, durata, resistenza alla corrosione e resistenza all’usura, e deve essere eseguita in modo coerente, pienamente controllato e conforme alle normative.
Bodycote una collaborazione strategica per valutare l'impiego della tecnologia HIP nella produzione di componenti per reattori utilizzando i materiali brevettati da Blykalla (Fonte: Folk Studion)
Trattamenti termici specifici, quali la tempra a freddo, il rinvenimento, l’invecchiamento, la ricottura in soluzione e la stabilizzazione, vengono utilizzati per conferire ai diversi acciai inossidabili e ai componenti a base di nichel le proprietà di servizio richieste. Tra i componenti tipicamente sottoposti a trattamento figurano tubazioni, elementi di pompe, anelli e alberi. Allo stesso tempo, l’ingegneria delle superfici svolge un ruolo altrettanto fondamentale, prevenendo l’usura, la corrosione e l’attrito in sistemi chiave quali i meccanismi delle barre di controllo, dove l’affidabilità è essenziale per il funzionamento sicuro del reattore.
In sintesi, la produzione nucleare avanzata si basa su un ecosistema tecnologico. Nessun componente entra in un reattore senza aver subito processi di produzione avanzati, trattamenti termici controllati e ingegneria delle superfici; il settore dipenderà sempre più da una rete globale di fornitori metallurgici in grado di ridurre i tempi di consegna, migliorare la progettazione, prolungare la durata di vita utile e garantire una qualità impeccabile nel tempo.
Scegliere il partner di produzione giusto
Si tratta quindi di un periodo entusiasmante per il settore nucleare, caratterizzato da un aumento degli investimenti e dalla diffusione di nuovi tipi di generatori. Tuttavia, il successo futuro del settore dipenderà dalla rapidità, dalla scalabilità e dalla fiducia.
I processi termici avanzati svolgeranno un ruolo fondamentale in tale evoluzione. Tecniche come il PM-HIP, in combinazione con le tecnologie di trattamento termico e di trattamento superficiale, apriranno la strada a nuove possibilità progettuali, garantiranno l’integrità dei materiali e ridurranno i rischi e i ritardi nella catena di approvvigionamento.
Bodycote il principale operatore al mondo nel settore della produzione HIP e le nostre tecnologie avanzate di trattamento termico garantiscono che i componenti critici per la missione funzionino in modo affidabile anche nelle condizioni più estreme. Dagli assemblaggi di reattori ad alta integrità e dai componenti dei sistemi di fluidi ai contenitori per la ricerca sulla fusione, la nostra rete globale è riconosciuta per la sua eccellenza metallurgica, a sostegno dell’energia a basse emissioni di carbonio, di una maggiore durata di vita utile e di una qualità senza compromessi.
In prospettiva, Bodycote ben posizionata per svolgere un ruolo centrale nel ripensare le modalità di costruzione dei nuovi reattori nucleari e contribuire poi alla loro realizzazione su larga scala.
Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta su Nuclear Engineering International