Geavanceerde productietechnieken zoals hot isostatic pressing kunnen helpen om knelpunten in de toeleveringsketen te verminderen en nieuwe ontwerpmogelijkheden te creëren in een snel groeiende nucleaire sector, aldus Ian Tough, Market Development Manager bij Bodycote
Kernenergie speelt een cruciale rol in moderne energienetwerken en levert betrouwbare basislaststroom zonder CO₂-uitstoot bij de bron.
Naarmate het wereldwijde energieverbruik blijft stijgen, wordt kernenergie een steeds belangrijkere oplossing aan de aanbodzijde, die de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet waarborgt. Uit statistieken van het Internationaal Energieagentschap blijkt dat de vraag naar elektriciteit tot 2030 naar verwachting minstens 2,5 keer zo snel zal groeien als de totale energievraag, aangedreven door het stijgende elektriciteitsverbruik in de industrie, de aanhoudende opmars van elektrische voertuigen, het toegenomen gebruik van airconditioning en de uitbreiding van datacenters en kunstmatige intelligentie. Aan deze toegenomen vraag moet worden voldaan met duurzamere bronnen, waarbij kernenergie naar verwachting een grotere rol zal gaan spelen dan ooit tevoren.
Bijgevolg ondergaat de nucleaire sector een transformatie nu er nieuwe investeringsstromen en reactorontwerpen in opkomst zijn. Voorheen werd de sector gekenmerkt door door de overheid gesteunde megaprojecten, waarbij de bouw van nieuwe kerncentrales tientallen miljarden dollars kostte en vele jaren in beslag nam. De dringende energiebehoefte zorgt echter voor een toenemende vraag naar flexibelere en schaalbare oplossingen, met name kleine modulaire reactoren (SMR’s), die doorgaans een vermogen hebben van ongeveer een derde van dat van traditionele kernreactoren. Een lager vermogen vereist minder ruimte, wat van cruciaal belang is wanneer ze ter plaatse naast datacenters worden gebouwd.
Amazon zet in op SMR’s om koolstofvrije, betrouwbare stroom te leveren voor datacenters en AI, en heeft al plannen aangekondigd voor een reactor in een geavanceerde kernenergiecentrale in de Amerikaanse staat Washington. Ondertussen is het Amerikaanse leger op zoek naar potentiële commerciële leveranciers voor de bouw van microreactorcentrales op negen militaire locaties.
Op de langere termijn zullen de inspanningen om geavanceerde kernfusie – het proces dat de zon en andere sterren van energie voorziet – op de schaal van een energiecentrale verder te ontwikkelen, nieuwe kansen creëren naarmate er wereldwijd tientallen demonstratie-installaties worden gebouwd. De belangstelling voor nucleaire technologie is dan ook groter dan ooit, met potentiële ontwikkelingen in tal van sectoren en toepassingen.
Introductie van nieuwe productietechnieken
De nucleaire sector kampt echter met een probleem. Het historische ‘hoog- en laagconjunctuur’-karakter van de bouw van nieuwe kerncentrales heeft geleid tot consolidatie binnen de toeleveringsketen, waardoor er nog maar een beperkt aantal ervaren en gekwalificeerde leveranciers overblijft. De geografische concentratie van cruciale productiecapaciteiten voor de nucleaire sector heeft het leveringsrisico vergroot in deze tijden van toenemende geopolitieke onzekerheid.
Cruciaal is dat kritieke nucleaire componenten uiterste precisie en uitgebreide kwaliteitscontroles vereisen, wat leidt tot grote achterstanden en lange levertijden. Voor sommige giet- en smeedstukken gelden wachttijden van vele maanden, of zelfs jaren, aangezien een beperkt aantal leveranciers moeite heeft om de vraag bij te houden. Tegelijkertijd maken de strenge eisen die aan nucleaire componenten worden gesteld, het moeilijk om traditionele productiemethoden op te schalen.
Juist daar zou een bredere toepassing van geavanceerde productietechnieken het verschil kunnen maken. Een van die benaderingen is poedermetallurgisch heet-isostatisch persen (PM-HIP), een beproefd proces dat al jarenlang wordt toegepast in kritieke sectoren zoals onderzeese olie- en gaswinning, de lucht- en ruimtevaart en de medische sector, en dat al is goedgekeurd voor gebruik volgens nucleaire voorschriften. PM-HIP is een geavanceerd vormgevingsproces waarbij gebruik wordt gemaakt van hoge druk en temperatuur om uit poederlegeringen metaalcomponenten te produceren die qua vorm al bijna de uiteindelijke vorm hebben, met uitstekende mechanische eigenschappen. In nucleaire toepassingen levert dit verschillende baanbrekende voordelen op. Hiertoe behoren aanzienlijk kortere doorlooptijden voor de productie van ‘near-net-shape’-componenten, aangezien onderdelen dichter bij de uiteindelijke geometrie kunnen worden vervaardigd, waardoor de noodzaak voor uitgebreide verspaningswerkzaamheden, laswerk en nabewerking in vergelijking met traditionele methoden wordt verminderd. PM-HIP wordt bovendien ondersteund door een volwassen, verspreid leveranciersnetwerk in de VS, het VK en de EU, wat veel van de beperkingen in de toeleveringsketen die bij andere benaderingen horen, helpt verlichten.
Er zijn ook aanzienlijke technische voordelen. PM-HIP kan de prestaties van onderdelen verbeteren door componenten te produceren die vrij zijn van scheuren of porositeit. Om te beginnen wordt verstoven metaalpoeder in een metalen bus gevuld en vervolgens blootgesteld aan hoge temperaturen (tot 2.000 °C) onder isostatisch uitgeoefende argongasdruk (tot 45.000 psi). Onder deze extreme omstandigheden, net onder het smeltpunt van het materiaal, versmelt het poeder metallurgisch, waarbij porositeit en interne holtes worden geëlimineerd. Het poeder verandert in een dichte vaste stof en de resulterende microstructuur wordt volledig isotroop, waardoor het onderdeel in alle richtingen over het gehele onderdeel uniforme mechanische eigenschappen vertoont. Deze fijne, isotrope microstructuur levert sterkere, vermoeidheidsbestendige onderdelen op – cruciale technische kenmerken voor toepassingen in de nucleaire sector.
Grotere ontwerpflexibiliteit is eveneens een belangrijke factor, waardoor ingenieurs het ontwerp van componenten kunnen herzien met topologieën die met andere technieken, zoals gieten of smeden, niet mogelijk zijn. Complexe PM-HIP-geometrieën met geïntegreerde kenmerken zijn gemakkelijker te realiseren, waarbij meerdere onderdelen tot één enkel onderdeel worden gecombineerd; zelfs bimetalen ontwerpen zijn mogelijk met PM-HIP of HIP-diffusielassen. Dit kan leiden tot minder lasnaden en inspectiepunten, en tot het verplaatsen van lasnaden weg uit gebieden met hoge spanningen, waardoor PM-HIP een verschuiving mogelijk maakt van fabricage naar geïntegreerd ontwerp. Om deze voordelen te realiseren is echter betrokkenheid in een vroeg stadium van de ontwerpfase vereist, en een afstappen van de traditionele, op fabricage gerichte denkwijze.
In de toekomst zou PM-HIP zelfs het gebruik van nieuwe technieken kunnen ondersteunen, zoals Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) met directe energieafzetting, waarbij lagen metaal op elkaar worden aangebracht totdat de gewenste 3D-vorm is ontstaan. WAAM biedt aanzienlijke mogelijkheden voor de productie van grote, sterk geoptimaliseerde metalen onderdelen, maar vereist in veel gevallen een HIP-nabewerking om de integriteit te waarborgen. In deze context wordt HIP een essentiële stap, die de dichtheid en consistentie garandeert die vereist zijn voor onderdelen van nucleaire kwaliteit.
Toepassingsvoorbeelden van PM-HIP voor de nucleaire sector
Hoe vertalen deze mogelijkheden zich dan naar potentiële nucleaire toepassingen waarbij precisie, betrouwbaarheid en veiligheid absoluut essentieel zijn? Voor traditionele kernsplijtingsreactoren zou PM-HIP kunnen worden gebruikt voor de productie van onderdelen voor het primaire circuit met een hoge integriteit, zoals leidingen en verbindingen, maar ook reactoronderdelen en drukvasthoudende componenten.
Het is ook bijzonder geschikt voor de SMR-markt, waar componenten in kleine tot middelgrote hoeveelheden kunnen worden geproduceerd zonder dure matrijzen of verouderde infrastructuur. Dankzij de compatibiliteit met modulaire bouwprincipes is het een aantrekkelijke optie voor toekomstige reactoren. Voor geavanceerde fusiereactoren kan het bovendien worden gebruikt voor panelen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en zware belasting, zoals al is aangetoond bij de productie van de plasma-gerichte wandpanelen voor de ITER-faciliteit in Cadarache in Zuid-Frankrijk.
Voor missiekritische onderdelen in de ITER-fusie-reactor, zoals het blanket-systeem, is heet-isostatisch persen nodig om de reactor af te schermen (Bron: ITER)
Cruciaal is dat geavanceerde productietechnieken zoals PM-HIP kunnen worden ingezet als onderdeel van een reeks technologieën die de prestaties van kerninstallaties kunnen ondersteunen. Zo spelen bijvoorbeeld warmtebehandeling en oppervlaktebehandeling ook een cruciale rol bij het waarborgen dat elk nucleair onderdeel voldoet aan uitzonderlijk strenge normen voor veiligheid, traceerbaarheid en prestaties op lange termijn in extreme bedrijfsomstandigheden. De materiaalbewerking bepaalt eigenschappen zoals sterkte, duurzaamheid, corrosiebestendigheid en slijtvastheid, en moet op een consistente, volledig gecontroleerde en aan de voorschriften conforme manier worden uitgevoerd.
Bodycote een strategische samenwerking Bodycote om het gebruik van HIP bij de productie van reactoronderdelen met behulp van de eigen materialen van Blykalla te evalueren (Bron: Folk Studion)
Specifieke warmtebehandelingen, zoals overkoeling, ontlaten, veroudering, oplossingsgloeien en stabilisatie, worden toegepast om verschillende soorten roestvrij staal en componenten op nikkelbasis de vereiste eigenschappen voor gebruik te geven. Typische behandelde onderdelen zijn onder meer leidingen, pomponderdelen, ringen en assen. Daarnaast speelt oppervlaktebehandeling een even cruciale rol bij het voorkomen van slijtage, corrosie en vastlopen in cruciale systemen zoals regelstaafmechanismen, waar betrouwbaarheid essentieel is voor een veilige werking van de reactor.
Kortom, geavanceerde nucleaire productie is afhankelijk van een technologisch ecosysteem. Geen enkel onderdeel komt in een reactor terecht zonder geavanceerde productie, gecontroleerde thermische bewerking en oppervlaktebehandeling, en de sector zal in toenemende mate afhankelijk zijn van een wereldwijd netwerk van metallurgische leveranciers die doorlooptijden kunnen verkorten, het ontwerp kunnen verbeteren, de levensduur kunnen verlengen en op de lange termijn compromisloze kwaliteit kunnen leveren.
De juiste productiepartner kiezen
Het zijn dus spannende tijden in de nucleaire sector, nu de investeringen toenemen en nieuwe soorten reactoren werkelijkheid worden. Het toekomstige succes van de sector zal echter afhangen van snelheid, schaalbaarheid en vertrouwen.
Geavanceerde thermische bewerkingen zullen in die ontwikkeling een cruciale rol spelen. Technieken zoals PM-HIP, in combinatie met warmtebehandelings- en oppervlaktebehandelingstechnologieën, zullen nieuwe ontwerpmogelijkheden bieden, de materiaalintegriteit waarborgen en risico’s en vertragingen in de toeleveringsketen verminderen.
Bodycote wereldwijd de grootste aanbieder van HIP-productiecapaciteit, en onze geavanceerde thermische bewerkingstechnologieën zorgen ervoor dat missiekritische onderdelen betrouwbaar functioneren onder de meest extreme omstandigheden. Van reactorassemblages met hoge integriteit en onderdelen voor vloeistofsystemen tot onderzoeksvaten voor kernfusie: ons wereldwijde netwerk staat bekend om zijn uitmuntende metallurgische prestaties, die bijdragen aan koolstofarme energie, een langere levensduur en compromisloze kwaliteit.
Wat de toekomst betreft, Bodycote goed gepositioneerd om een centrale rol te spelen bij het herontwerpen van de bouw van nieuwe kernreactoren en vervolgens bij te dragen aan de realisatie daarvan op grote schaal.
Dit artikel is voor het eerst gepubliceerd door Nuclear Engineering International