Zaawansowane techniki produkcyjne, takie jak gorące prasowanie izostatyczne, mogą pomóc w zmniejszeniu wąskich gardeł w łańcuchu dostaw oraz otworzyć nowe możliwości projektowe w dynamicznie rozwijającym się sektorze jądrowym – twierdzi Ian Tough, kierownik ds. rozwoju rynku w Bodycote
Energetyka jądrowa odgrywa kluczową rolę we współczesnych sieciach energetycznych, zapewniając niezawodną energię elektryczną pokrywającą obciążenie podstawowe przy zerowej emisji dwutlenku węgla w miejscu wytwarzania.
Wraz z rosnącym globalnym zużyciem energii energia jądrowa staje się coraz ważniejszym rozwiązaniem po stronie podaży, zapewniającym niezawodność sieci energetycznej. Statystyki Międzynarodowej Agencji Energetycznej wskazują, że do 2030 r. popyt na energię elektryczną będzie rósł co najmniej 2,5 razy szybciej niż ogólny popyt na energię, co wynika z rosnącego zużycia energii elektrycznej w przemyśle, dalszego upowszechniania się pojazdów elektrycznych, częstszego korzystania z klimatyzacji oraz rozwoju centrów danych i sztucznej inteligencji. Te rosnące potrzeby muszą być zaspokajane z bardziej zrównoważonych źródeł, przy czym oczekuje się, że energia jądrowa odegra większą rolę niż kiedykolwiek wcześniej.
W związku z tym sektor jądrowy przechodzi transformację wraz z pojawieniem się nowych strumieni inwestycji i projektów reaktorów. Wcześniej sektor ten charakteryzowały wspierane przez państwo megaprojekty, w ramach których budowa nowych elektrowni jądrowych kosztowała dziesiątki miliardów dolarów i trwała wiele lat. Jednak pilne zapotrzebowanie na energię napędza dążenie do bardziej elastycznych i skalowalnych rozwiązań, zwłaszcza małych reaktorów modułowych (SMR), których moc zwykle wynosi około jednej trzeciej mocy tradycyjnych reaktorów jądrowych. Mniejsza moc oznacza mniejszą powierzchnię zajmowaną przez obiekt, co ma kluczowe znaczenie przy budowie takich reaktorów na terenie sąsiadującym z centrami danych.
Amazon stawia na reaktory SMR jako źródło bezemisyjnej i niezawodnej energii dla centrów danych i sztucznej inteligencji. Firma ogłosiła już plany budowy reaktora w nowoczesnym ośrodku energetyki jądrowej w stanie Waszyngton w USA. Tymczasem armia amerykańska poszukuje potencjalnych dostawców komercyjnych do budowy elektrowni z mikroreaktorami w dziewięciu obiektach wojskowych.
W dłuższej perspektywie wysiłki zmierzające do rozwoju zaawansowanej syntezy jądrowej – procesu zasilającego Słońce i inne gwiazdy – na skalę elektrowni stworzą nowe możliwości w miarę budowy dziesiątek elektrowni demonstracyjnych na całym świecie. Zainteresowanie technologią jądrową osiągnęło zatem najwyższy poziom w historii, a jej potencjalne zastosowania obejmują wiele gałęzi przemysłu i obszarów wykorzystania.
Wprowadzenie nowych technik produkcji
Przemysł jądrowy boryka się jednak z pewnym problemem. Historyczna cykliczność w budowie nowych elektrowni jądrowych, charakteryzująca się okresami „obfitości i niedostatku”, doprowadziła do konsolidacji bazy dostawczej, w wyniku czego pozostała ograniczona liczba doświadczonych i wykwalifikowanych dostawców. Koncentracja kluczowych zdolności produkcyjnych w sektorze jądrowym w jednym obszarze geograficznym dodatkowo zwiększyła ryzyko związane z dostawami w czasach coraz większej niepewności geopolitycznej.
Co najważniejsze, kluczowe komponenty jądrowe wymagają niezwykłej precyzji i szeroko zakrojonych kontroli jakości, co skutkuje dużymi zaległościami i długimi terminami realizacji. W przypadku niektórych odlewów i odkuwek czas oczekiwania sięga wielu miesięcy, a nawet lat, ponieważ ograniczona liczba dostawców z trudem nadąża za popytem. Jednocześnie rygorystyczne wymagania dotyczące komponentów jądrowych utrudniają skalowanie tradycyjnych metod produkcji.
Właśnie w tym zakresie szersze zastosowanie zaawansowanych technik produkcyjnych mogłoby przynieść znaczącą zmianę. Jednym z takich rozwiązań jest metalurgia proszkowa z wykorzystaniem gorącego prasowania izostatycznego (PM-HIP) – sprawdzony proces o długiej historii zastosowań w kluczowych sektorach, takich jak podwodne wydobycie ropy i gazu, lotnictwo i kosmonautyka oraz medycyna, który spełnia już wymagania norm jądrowych. PM-HIP to zaawansowany proces formowania, w którym wykorzystuje się wysokie ciśnienie i temperaturę do wytwarzania elementów metalowych o kształcie zbliżonym do docelowego z stopów proszkowych, charakteryzujących się doskonałymi właściwościami mechanicznymi. W zastosowaniach jądrowych proces ten zapewnia szereg przełomowych korzyści. Obejmują one znacznie krótszy czas realizacji produkcji elementów o kształcie zbliżonym do końcowego, ponieważ części mogą być wytwarzane w formie bardziej zbliżonej do ostatecznej geometrii, co ogranicza konieczność przeprowadzania rozległej obróbki skrawaniem, spawania i obróbki wykończeniowej w porównaniu z metodami tradycyjnymi. Proces PM-HIP jest również wspierany przez dojrzałą, rozproszoną bazę dostawczą w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Unii Europejskiej, co pomaga złagodzić wiele ograniczeń łańcucha dostaw związanych z innymi metodami.
Istnieją również znaczące zalety techniczne. Technologia PM-HIP pozwala uzyskać lepsze właściwości elementów dzięki wytwarzaniu komponentów wolnych od pęknięć i porowatości. Na początku rozpylony proszek metalowy jest umieszczany w blaszanym pojemniku, a następnie poddawany działaniu wysokich temperatur (do 2 000 °C) pod izostatycznym ciśnieniem argonu (do 45 000 psi). W tych ekstremalnych warunkach, tuż poniżej temperatury topnienia materiału, proszek ulega metalurgicznemu spajaniu, co eliminuje porowatość i wewnętrzne puste przestrzenie. Proszek przekształca się w gęstą substancję stałą, a powstała mikrostruktura staje się w pełni izotropowa, dzięki czemu element wykazuje jednolite właściwości mechaniczne we wszystkich kierunkach na całej powierzchni. Ta drobna, izotropowa mikrostruktura pozwala uzyskać elementy o większej wytrzymałości i odporności na zmęczenie materiałowe – cechy techniczne o kluczowym znaczeniu w zastosowaniach jądrowych.
Ważnym czynnikiem jest również większa elastyczność projektowa, umożliwiająca inżynierom ponowne przemyślenie konstrukcji elementów przy użyciu topologii, które nie są możliwe w przypadku innych technik, takich jak odlewanie czy kucie. Złożone geometrie PM-HIP z wbudowanymi elementami są łatwiejsze do uzyskania, co pozwala na połączenie wielu części w jeden element; dzięki technologii PM-HIP lub HIP Diffusion Bonding możliwe są nawet konstrukcje bimetaliczne. Może to skutkować zmniejszeniem liczby spoin i punktów kontroli oraz przeniesieniem spoin z obszarów poddanych dużym naprężeniom, dzięki czemu technologia PM-HIP umożliwia przejście od podejścia opartego na produkcji do projektowania zintegrowanego. Jednak osiągnięcie tych korzyści wymaga wczesnego zaangażowania już na etapie projektowania oraz odejścia od tradycyjnego sposobu myślenia opartego na produkcji.
W przyszłości technologia PM-HIP może nawet umożliwić stosowanie nowych technik, takich jak addytywna produkcja metodą łuku elektrycznego z bezpośrednim osadzaniem energii (WAAM), polegająca na nakładaniu kolejnych warstw metalu jedna na drugą, aż do uzyskania pożądanego kształtu 3D. Technologia WAAM ma znaczny potencjał w zakresie produkcji dużych, wysoce zoptymalizowanych części metalowych, jednak w wielu przypadkach wymagałaby obróbki końcowej metodą HIP w celu zapewnienia integralności. W tym kontekście HIP staje się kluczowym etapem, zapewniającym gęstość i spójność wymagane w przypadku części przeznaczonych do zastosowań jądrowych.
Przykłady zastosowań systemu PM-HIP w energetyce jądrowej
W jaki więc sposób te możliwości przekładają się na potencjalne zastosowania jądrowe, w których precyzja, niezawodność i bezpieczeństwo są kwestiami niepodlegającymi dyskusji? W przypadku tradycyjnych reaktorów rozszczepieniowych technologia PM-HIP mogłaby znaleźć zastosowanie w produkcji elementów obiegu pierwotnego o wysokiej integralności, takich jak rurociągi i połączenia, a także elementów wewnętrznych reaktora i elementów utrzymujących ciśnienie.
Technologia ta doskonale sprawdza się również na rynku małych reaktorów modułowych (SMR), gdzie komponenty można wytwarzać w małych i średnich ilościach bez konieczności stosowania kosztownych narzędzi lub istniejącej infrastruktury. Jej zgodność z zasadami konstrukcji modułowej sprawia, że jest to atrakcyjna opcja dla przyszłych reaktorów. Z kolei w przypadku zaawansowanych reaktorów termojądrowych można ją wykorzystać do produkcji paneli odpornych na wysokie temperatury i duże obciążenia, co zostało już wykazane podczas produkcji paneli ścianek stykających się z plazmą dla obiektu ITER w Cadarache na południu Francji.
Elementy o kluczowym znaczeniu dla działania reaktora termojądrowego ITER, takie jak system osłony, wymagają zastosowania technologii gorącego prasowania izostatycznego w celu zapewnienia osłony reaktora (Źródło: ITER)
Co istotne, zaawansowane techniki produkcyjne, takie jak PM-HIP, mogą stanowić część zestawu technologii wspierających wydajność obiektów jądrowych. Na przykład obróbka cieplna i inżynieria powierzchniowa odgrywają również kluczową rolę w zapewnieniu, że każdy element jądrowy spełnia wyjątkowo rygorystyczne normy dotyczące bezpieczeństwa, identyfikowalności i długoterminowej wydajności w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych. Obróbka materiałów decyduje o takich właściwościach, jak wytrzymałość, trwałość, odporność na korozję i odporność na zużycie, i musi być realizowana w sposób spójny, w pełni kontrolowany i zgodny z przepisami.
Bodycote strategiczną współpracę w celu oceny możliwości wykorzystania technologii HIP do produkcji elementów reaktorów z wykorzystaniem materiałów opracowanych przez firmę Blykalla (Źródło: Folk Studion)
W celu nadania różnym gatunkom stali nierdzewnej i elementom na bazie niklu właściwości eksploatacyjnych wymaganych podczas użytkowania stosuje się określone procesy obróbki cieplnej, takie jak hartowanie z nadmiernym schłodzeniem, odpuszczanie, starzenie, wyżarzanie rozpuszczające i stabilizacja. Typowe elementy poddawane obróbce to rurociągi, elementy pomp, pierścienie i wały. Równie istotną rolę odgrywa natomiast inżynieria powierzchniowa, która zapobiega zużyciu, korozji i zatarciom w kluczowych układach, takich jak mechanizmy prętów regulacyjnych, gdzie niezawodność ma zasadnicze znaczenie dla bezpiecznej pracy reaktora.
Krótko mówiąc, zaawansowana produkcja elementów jądrowych opiera się na ekosystemie technologicznym. Żaden element nie trafia do reaktora bez zaawansowanej produkcji, kontrolowanej obróbki termicznej i inżynierii powierzchniowej, a branża będzie w coraz większym stopniu polegać na globalnej sieci dostawców materiałów metalurgicznych, którzy są w stanie skrócić czas realizacji zamówień, udoskonalić projekty, wydłużyć okres eksploatacji oraz zapewnić niezmiennie wysoką jakość w dłuższej perspektywie.
Wybór odpowiedniego partnera produkcyjnego
Są to więc ekscytujące czasy dla sektora jądrowego, w których rosną inwestycje, a nowe typy generatorów stają się rzeczywistością. Jednak przyszły sukces tej branży będzie zależał od szybkości, skalowalności i zaufania.
Zaawansowana obróbka termiczna odegra kluczową rolę w tym procesie. Techniki takie jak PM-HIP, w połączeniu z technologiami obróbki cieplnej i obróbki powierzchniowej, otworzą nowe możliwości projektowe, zapewnią integralność materiału oraz ograniczą ryzyko i opóźnienia w łańcuchu dostaw.
Bodycote największym na świecie operatorem zakładów produkcyjnych wykorzystujących technologię HIP, a nasze zaawansowane technologie obróbki termicznej gwarantują, że elementy o kluczowym znaczeniu dla misji niezawodnie działają nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach. Od zespołów reaktorowych o wysokim stopniu integralności i elementów układów przepływowych po zbiorniki do badań nad syntezą jądrową — nasza globalna sieć cieszy się zaufaniem jako dostawca doskonałych rozwiązań metalurgicznych, które wspierają energetykę niskoemisyjną, wydłużają okres eksploatacji i zapewniają bezkompromisową jakość.
Patrząc w przyszłość, Bodycote doskonałe warunki, by odegrać kluczową rolę w przeobrażeniu sposobu budowy nowych reaktorów jądrowych, a następnie pomóc w ich wdrażaniu na szeroką skalę.
Artykuł ten został po raz pierwszy opublikowany przez czasopismo „Nuclear Engineering International”