Tehnicile avansate de producție, precum presarea izostatică la cald, pot contribui la reducerea blocajelor din lanțul de aprovizionare și la deschiderea unor noi posibilități de proiectare într-un sector nuclear în plină expansiune, afirmă Ian Tough, director de dezvoltare a pieței la Bodycote
Energia nucleară joacă un rol esențial în rețelele energetice moderne, asigurând o sursă fiabilă de energie electrică de bază, fără emisii de carbon la sursă.
Pe măsură ce consumul global de energie continuă să crească, energia nucleară devine o soluție din ce în ce mai importantă din perspectiva ofertei, contribuind la asigurarea fiabilității rețelei electrice. Statisticile Agenției Internaționale pentru Energie arată că cererea de energie electrică este pe cale să crească de cel puțin 2,5 ori mai repede decât cererea totală de energie până în 2030, impulsionată de creșterea consumului industrial de energie electrică, adoptarea continuă a vehiculelor electrice, utilizarea sporită a sistemelor de climatizare, precum și extinderea centrelor de date și a inteligenței artificiale. Aceste cereri crescute trebuie satisfăcute din surse mai durabile, energia nucleară urmând să capete o importanță mai mare ca niciodată.
În consecință, sectorul nuclear evoluează pe măsură ce încep să apară noi fluxuri de investiții și noi modele de reactoare. Anterior, sectorul era caracterizat de megaproiecte susținute de stat, centralele nucleare nou construite costând zeci de miliarde de dolari și necesitând mulți ani pentru a fi finalizate. Cu toate acestea, cererile urgente de energie determină o orientare către soluții mai flexibile și mai scalabile, în special reactoarele modulare mici (SMR), care au, de obicei, o capacitate de putere de până la aproximativ o treime din cea a reactoarelor nucleare tradiționale. O putere mai mică necesită un spațiu fizic mai redus, ceea ce este esențial atunci când acestea sunt construite pe amplasament, în imediata vecinătate a centrelor de date.
Amazon mizează pe reactoarele SMR pentru a furniza energie fără emisii de carbon și fiabilă pentru centrele de date și inteligența artificială (IA) și a anunțat deja planuri privind construirea unui reactor într-o instalație avansată de energie nucleară din statul Washington, SUA. În același timp, Armata SUA caută potențiali furnizori comerciali pentru construirea unor centrale electrice cu microreactoare în nouă baze militare.
Pe termen lung, eforturile de a avansa în domeniul fuziunii nucleare avansate – procesul care alimentează Soarele și alte stele – la scara centralelor electrice vor genera noi oportunități, pe măsură ce zeci de centrale demonstrative vor fi construite la nivel mondial. Astfel, interesul pentru tehnologia nucleară se află la un nivel record, cu potențiale dezvoltări în multiple sectoare și aplicații.
Introducerea unor noi tehnici de producție
Cu toate acestea, industria nucleară se confruntă cu o problemă. Caracterul istoric al proiectelor de construcție de noi centrale nucleare, marcat de „perioade de abundență și de penurie”, a dus la o consolidare a bazei de furnizori, rezultând un număr limitat de furnizori cu experiență și calificați. Concentrarea geografică a capacităților cheie de producție din domeniul nuclear a sporit riscul legat de aprovizionare într-un context geopolitic din ce în ce mai incert.
Un aspect esențial este faptul că componentele nucleare critice necesită o precizie extremă și controale de calitate ample, ceea ce duce la acumularea unor comenzi restante și la termene de livrare îndelungate. Pentru unele piese turnate și forjate, termenele de așteptare se ridică la multe luni, sau chiar ani, întrucât numărul limitat de furnizori se confruntă cu dificultăți în a face față cererii. În același timp, cerințele stricte impuse componentelor nucleare îngreunează extinderea proceselor tradiționale de fabricație.
Tocmai aici, adoptarea pe scară mai largă a tehnicilor avansate de producție ar putea face diferența. O astfel de abordare este presarea izostatică la cald în metalurgia pulberilor (PM-HIP), un proces bine stabilit, cu o lungă istorie de aplicare în sectoare critice precum cel al petrolului și gazelor submarine, cel aerospațial și cel medical, și care este deja calificat pentru utilizare în conformitate cu codurile nucleare. PM-HIP este un proces avansat de formare care utilizează presiune și temperatură ridicate pentru a produce componente metalice cu formă aproape finală din aliaje pulverulente, cu proprietăți mecanice remarcabile. În aplicațiile nucleare, acesta oferă o serie de avantaje transformatoare. Printre acestea se numără termene de livrare semnificativ mai scurte pentru producția de componente cu formă aproape finală, deoarece piesele pot fi fabricate mai aproape de geometria finală, reducând necesitatea prelucrării mecanice extinse, a sudării și a post-prelucrării în comparație cu metodele tradiționale. PM-HIP este, de asemenea, susținut de o bază de aprovizionare matură și distribuită în SUA, Marea Britanie și UE, ceea ce contribuie la atenuarea multor constrângeri ale lanțului de aprovizionare asociate cu alte abordări.
Există, de asemenea, avantaje tehnice semnificative. Tehnologia PM-HIP poate asigura o performanță îmbunătățită a pieselor, prin producerea de componente fără fisuri sau porozitate. La început, pulberea metalică atomizată este introdusă într-un recipient din tablă și apoi supusă unor temperaturi ridicate (până la 2.000 °C) sub presiunea izostatică a gazului argon (până la 45.000 psi). În aceste condiții extreme, situate chiar sub punctul de topire al materialului, pulberea se leagă metalurgic, eliminându-se porozitatea și golurile interne. Pulberea se transformă într-un solid dens, iar microstructura rezultată devine complet izotropă, componenta prezentând proprietăți mecanice uniforme în toate direcțiile pe întreaga suprafață a piesei. Această microstructură fină și izotropă produce piese mai rezistente și mai rezistente la oboseală – caracteristici tehnice esențiale pentru aplicațiile din domeniul nuclear.
O flexibilitate sporită în proiectare reprezintă, de asemenea, un factor important, permițând inginerilor să regândească proiectarea componentelor cu topologii imposibil de realizat prin alte tehnici, precum turnarea sau forjarea. Geometriile complexe realizate prin PM-HIP, cu elemente integrate, sunt mai ușor de obținut, combinând mai multe piese într-o singură componentă; chiar și proiectele bimetalice sunt posibile cu PM-HIP sau cu lipirea prin difuzie HIP. Acest lucru poate duce la reducerea numărului de suduri și a punctelor de inspecție, precum și la îndepărtarea sudurilor din zonele supuse unor solicitări ridicate, PM-HIP permițând astfel trecerea de la fabricare la proiectare integrată. Cu toate acestea, pentru a beneficia de aceste avantaje este necesară implicarea încă din faza de proiectare și abandonarea modului tradițional de gândire axat pe fabricare.
În viitor, tehnologia PM-HIP ar putea chiar să susțină utilizarea unor tehnici noi, precum fabricarea aditivă prin arc electric cu depunere directă de energie (WAAM), care depune straturi de metal unul peste altul, până la obținerea formei 3D dorite. Tehnologia WAAM are un potențial semnificativ pentru producția de piese metalice de dimensiuni mari și extrem de optimizate, dar, în multe cazuri, ar necesita o post-procesare HIP pentru a asigura integritatea acestora. În acest context, HIP devine o etapă esențială, asigurând densitatea și consistența necesare pentru piesele de calitate nucleară.
Cazuri de utilizare a PM-HIP în domeniul nuclear
Așadar, cum se traduc aceste capacități în potențiale aplicații nucleare în care precizia, fiabilitatea și siguranța sunt condiții indispensabile? În cazul reactoarelor tradiționale de fisiune, tehnologia PM-HIP ar putea fi utilizată pentru a produce componente ale circuitului primar cu un nivel ridicat de integritate, precum conductele și racordurile, precum și elementele interne ale reactorului și componentele de menținere a presiunii.
De asemenea, această tehnologie este deosebit de potrivită pentru piața reactoarelor modulare de mici dimensiuni (SMR), unde componentele pot fi produse în volume mici până la medii, fără a fi necesare unelte costisitoare sau infrastructură învechită. Compatibilitatea sa cu principiile construcției modulare o face o opțiune atractivă pentru reactoarele viitoare. În același timp, în cazul reactoarelor avansate de fuziune, aceasta poate fi utilizată pentru panouri destinate temperaturilor ridicate și sarcinilor mari, așa cum s-a demonstrat deja prin producția panourilor peretelui expus la plasmă pentru instalația ITER de la Cadarache, din sudul Franței.
Componentele esențiale din interiorul reactorului de fuziune ITER, precum sistemul de înveliș, necesită presare izostatică la cald pentru a asigura protecția reactorului (Sursă: ITER)
În mod esențial, tehnicile avansate de producție, precum PM-HIP, pot fi utilizate ca parte a unui set de tehnologii care pot susține performanța nucleară. De exemplu, tratamentul termic și ingineria suprafețelor joacă, de asemenea, un rol crucial în asigurarea faptului că fiecare componentă nucleară îndeplinește standarde extrem de exigente în materie de siguranță, trasabilitate și performanță pe termen lung în medii de funcționare extreme. Prelucrarea materialelor determină proprietăți precum rezistența, durabilitatea, rezistența la coroziune și comportamentul la uzură și trebuie realizată într-un mod consecvent, pe deplin controlat și conform cu normele.
Bodycote o colaborare strategică pentru a evalua utilizarea tehnologiei HIP în fabricarea componentelor de reactor folosind materialele brevetate de Blykalla (Sursă: Folk Studion)
Tratamentele termice specifice, precum răcirea rapidă, revenirea, îmbătrânirea, recoacerea de soluție și stabilizarea, sunt utilizate pentru a conferi diferitelor oțeluri inoxidabile și componentelor pe bază de nichel proprietățile necesare în timpul exploatării. Piesele tratate tipice includ conducte, elemente de pompă, inele și arbori. În același timp, ingineria suprafețelor joacă un rol la fel de important, prevenind uzura, coroziunea și frecarea excesivă în sisteme cheie, cum ar fi mecanismele barelor de control, unde fiabilitatea este esențială pentru funcționarea în siguranță a reactorului.
Pe scurt, producția nucleară avansată se bazează pe un ecosistem tehnologic. Nicio componentă nu ajunge într-un reactor fără a fi supusă unor procese avansate de producție, prelucrare termică controlată și inginerie de suprafață, iar industria va depinde din ce în ce mai mult de o rețea globală de furnizori metalurgici capabili să reducă termenele de livrare, să îmbunătățească proiectarea, să prelungească durata de viață și să asigure o calitate fără compromisuri pe termen lung.
Alegerea partenerului potrivit pentru producție
Așadar, trăim vremuri interesante în sectorul nuclear, pe măsură ce investițiile cresc și apar noi tipuri de generatoare. Cu toate acestea, succesul viitor al industriei va depinde de rapiditate, scalabilitate și încredere.
Prelucrarea termică avansată va juca un rol esențial în această evoluție. Tehnici precum PM-HIP, combinate cu tehnologiile de tratament termic și de tratare a suprafețelor, vor deschide noi posibilități de proiectare, vor asigura integritatea materialelor și vor reduce riscurile și întârzierile din lanțul de aprovizionare.
Bodycote cel mai mare operator din lume în domeniul producției prin HIP, iar tehnologiile noastre avansate de prelucrare termică garantează că componentele esențiale pentru îndeplinirea misiunii funcționează în mod fiabil chiar și în cele mai extreme condiții. De la ansambluri de reactoare de înaltă integritate și componente pentru sisteme de fluide până la recipiente pentru cercetarea fuziunii nucleare, rețeaua noastră globală se bucură de încredere pentru excelența metalurgică pe care o oferă, contribuind la energia cu emisii reduse de carbon, la prelungirea duratei de viață și la o calitate fără compromisuri.
Privind spre viitor, Bodycote într-o poziție favorabilă pentru a juca un rol central în redefinirea modului în care sunt construite noile reactoare nucleare și, ulterior, pentru a contribui la realizarea acestora la scară largă.
Acest articol a fost publicat pentru prima dată de revista „Nuclear Engineering International”