Avancerade tillverkningstekniker som varmisostatisk pressning kan bidra till att minska flaskhalsar i leveranskedjan och öppna upp för nya designmöjligheter inom en snabbt växande kärnkraftssektor, säger Ian Tough, marknadsutvecklingschef på Bodycote
Kärnkraften spelar en avgörande roll i moderna energisystem genom att tillhandahålla tillförlitlig basbelastningsel utan koldioxidutsläpp vid produktionskällan.
I takt med att den globala energiförbrukningen fortsätter att öka blir kärnkraften en allt viktigare lösning på utbudssidan, vilket bidrar till elnätets tillförlitlighet. Statistik från Internationella energimyndigheten visar att efterfrågan på el är på väg att växa minst 2,5 gånger så snabbt som den totala energiefterfrågan fram till 2030, driven av ökad industriell elanvändning, den fortsatta utbredningen av elfordon, ökad användning av luftkonditionering samt expansionen av datacenter och AI. Denna ökade efterfrågan måste tillgodoses från mer hållbara källor, och kärnkraften förväntas spela en större roll än någonsin tidigare.
Följaktligen genomgår kärnkraftssektorn en utveckling i takt med att nya investeringsströmmar och reaktorkonstruktioner börjar dyka upp. Tidigare präglades sektorn av statligt stödda megaprojekt, där nybyggda kärnkraftverk kostade tiotals miljarder dollar och tog många år att färdigställa. Det akuta energibehovet driver dock på utvecklingen av mer flexibla och skalbara lösningar, särskilt små modulära reaktorer (SMR), som vanligtvis har en effektkapacitet på upp till ungefär en tredjedel av den hos traditionella kärnkraftsreaktorer. En lägre effekt kräver mindre utrymme, vilket är avgörande när de byggs på plats i anslutning till datacenter.
Amazon satsar på SMR för att tillhandahålla koldioxidfri och tillförlitlig energi till datacenter och AI, och har redan offentliggjort planer på en reaktor vid en avancerad kärnkraftsanläggning i delstaten Washington i USA. Samtidigt söker den amerikanska armén efter potentiella kommersiella leverantörer för att bygga kraftverk med mikroreaktorer vid nio militära anläggningar.
På längre sikt kommer satsningarna på att utveckla avancerad kärnfusion – den process som driver solen och andra stjärnor – i kraftverksskala att skapa nya möjligheter i takt med att dussintals demonstrationsanläggningar byggs världen över. Intresset för kärnteknik är alltså större än någonsin, med potentiella utvecklingsmöjligheter inom flera branscher och tillämpningsområden.
Införande av nya produktionstekniker
Kärnkraftsindustrin står dock inför ett problem. Den historiska tendensen till ”upp- och nedgångar” när det gäller nybyggnation av kärnkraftverk har lett till en konsolidering av leverantörsbasen, vilket har resulterat i ett begränsat antal erfarna och kvalificerade leverantörer. Den geografiska koncentrationen av viktig produktionskapacitet inom kärnkraftssektorn har ytterligare ökat leveransrisken i en allt mer osäker geopolitisk situation.
Avgörande är att kritiska kärnkraftskomponenter kräver extrem precision och omfattande kvalitetskontroller, vilket leder till stora orderstockar och långa ledtider. Vissa gjut- och smidesdelar har väntetider på flera månader, eller till och med år, eftersom ett begränsat antal leverantörer har svårt att hålla jämna steg med efterfrågan. Samtidigt gör de stränga kraven på kärnkraftskomponenter det svårt att skala upp traditionella tillverkningsmetoder.
Det är just där en ökad användning av avancerade produktionstekniker skulle kunna göra skillnad. En sådan metod är pulvermetallurgisk varmisostatisk pressning (PM-HIP), en väl etablerad process som har använts under lång tid inom kritiska sektorer såsom undervattensolje- och gasutvinning, rymdindustrin och medicin, och som redan är godkänd för användning enligt kärnkraftsstandarder. PM-HIP är en avancerad formningsprocess som använder högt tryck och hög temperatur för att tillverka metallkomponenter med nära slutform från pulverlegeringar, med enastående mekaniska egenskaper. Inom kärnkraftstillämpningar ger den flera banbrytande fördelar. Dessa inkluderar betydligt kortare ledtider för tillverkning av komponenter med nära slutform, eftersom delarna kan tillverkas närmare den slutliga geometrin, vilket minskar behovet av omfattande bearbetning, svetsning och efterbearbetning jämfört med traditionella metoder. PM-HIP stöds också av en mogen, distribuerad leverantörsbas i USA, Storbritannien och EU, vilket bidrar till att lindra många av de begränsningar i leveranskedjan som är förknippade med andra metoder.
Det finns även betydande tekniska fördelar. PM-HIP kan ge förbättrad prestanda hos komponenterna genom att producera delar som är fria från sprickor och porositet. Till att börja med fylls en plåtbehållare med finfördelat metallpulver, som sedan utsätts för höga temperaturer (upp till 2 000 °C) under isostatiskt tillfört argongastryck (upp till 45 000 psi). Under dessa extrema förhållanden, strax under materialets smältpunkt, binds pulvret samman metallurgiskt, varvid porositet och inre hålrum elimineras. Pulvret omvandlas till ett tätt fast ämne, och den resulterande mikrostrukturen blir helt isotrop, vilket innebär att komponenten uppvisar enhetliga mekaniska egenskaper i alla riktningar genom hela delen. Denna fina, isotropa mikrostruktur ger starkare, utmattningsbeständiga delar – avgörande tekniska egenskaper för användning inom kärnkraftsindustrin.
Större designflexibilitet är också en viktig faktor, vilket gör det möjligt för ingenjörer att ompröva komponentkonstruktionen med topologier som inte är möjliga med andra tekniker, såsom gjutning eller smidning. Komplexa PM-HIP-geometrier med inbyggda detaljer är lättare att åstadkomma, vilket gör det möjligt att kombinera flera delar till en enda komponent; till och med bimetallkonstruktioner är möjliga med PM-HIP eller HIP-diffusionsbindning. Detta kan leda till färre svetsfogar och inspektionspunkter samt att svetsfogarna kan placeras bort från områden med hög belastning, vilket innebär att PM-HIP möjliggör en övergång från tillverkning till integrerad konstruktion. För att kunna dra nytta av dessa fördelar krävs dock ett tidigt engagemang redan i konstruktionsfasen och ett avsteg från det traditionella tillverkningsinriktade tänkandet.
I framtiden kan PM-HIP till och med komma att stödja användningen av nya tekniker, såsom Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) med direkt energiavsättning, där metallskikt läggs ovanpå varandra tills en önskad 3D-form har skapats. WAAM har stor potential för tillverkning av stora, högoptimerade metalldelar, men skulle i många fall kräva HIP-efterbehandling för att säkerställa materialets integritet. I detta sammanhang blir HIP ett avgörande steg som säkerställer den densitet och konsistens som krävs för delar av kärnkraftskvalitet.
Användningsfall för PM-HIP inom kärnkraftssektorn
Hur kan dessa egenskaper då tillämpas inom potentiella kärntekniska områden där precision, tillförlitlighet och säkerhet är absolut nödvändiga? När det gäller traditionella klyvningsreaktorer skulle PM-HIP kunna användas för att tillverka komponenter med hög integritet till primärkretsen, såsom rörledningar och anslutningar, samt reaktorinredning och tryckhållande komponenter.
Den är dessutom särskilt väl lämpad för SMR-marknaden, där komponenter kan tillverkas i små till medelstora volymer utan kostsamma verktyg eller befintlig infrastruktur. Dess kompatibilitet med principerna för modulär konstruktion gör den till ett attraktivt alternativ för framtida reaktorer. När det gäller avancerade fusionsreaktorer kan den användas för paneler som utsätts för höga temperaturer och stora belastningar, vilket redan har visats genom tillverkningen av de plasmavända väggpanelerna för ITER-anläggningen i Cadarache i södra Frankrike.
Verksamhetskritiska komponenter inuti ITER-fusionsreaktorn, såsom mantelsystemet, kräver varmisostatisk pressning för att skydda reaktorn (Källa: ITER)
Avgörande är att avancerade produktionstekniker som PM-HIP kan användas som en del av en verktygslåda med tekniker som kan understödja kärnkraftsverks prestanda. Exempelvis spelar värmebehandling och ytbehandling också en avgörande roll för att säkerställa att varje kärnkraftskomponent uppfyller exceptionellt höga krav på säkerhet, spårbarhet och långsiktig prestanda i extrema driftsmiljöer. Materialbearbetningen avgör egenskaper som hållfasthet, hållbarhet, korrosionsbeständighet och slitstyrka, och måste utföras på ett konsekvent, fullständigt kontrollerat och föreskriftsenligt sätt.
Bodycote ett strategiskt samarbete för att utvärdera användningen av HIP vid tillverkning av reaktorkomponenter med hjälp av Blykallas egenutvecklade material (Källa: Folk Studion)
Särskilda värmebehandlingar, såsom överkylning, anlöpning, åldring, lösningsglödgning och stabilisering, används för att ge olika rostfria stål och komponenter av nickelbaserade legeringar de driftsegenskaper som krävs. Typiska behandlade delar är rörledningar, pumpdelar, ringar och axlar. Samtidigt spelar ytbehandling en lika viktig roll genom att förebygga slitage, korrosion och fastkörning i nyckelsystem såsom styrstavsmekanismer, där tillförlitlighet är avgörande för en säker reaktordrift.
Kort sagt är avancerad tillverkning för kärnkraftsindustrin beroende av ett tekniskt ekosystem. Ingen komponent kan användas i en reaktor utan avancerad tillverkning, kontrollerad värmebehandling och ytbehandling, och branschen kommer i allt högre grad att vara beroende av ett globalt nätverk av metallurgiska leverantörer som kan förkorta ledtiderna, förbättra konstruktionen, förlänga livslängden och leverera kompromisslös kvalitet över tid.
Att välja rätt produktionspartner
Det är alltså spännande tider inom kärnkraftssektorn, då investeringarna ökar och nya typer av reaktorer blir verklighet. Branschens framtida framgång kommer dock att bero på snabbhet, skalbarhet och förtroende.
Avancerad termisk bearbetning kommer att spela en avgörande roll i denna utveckling. Tekniker som PM-HIP, i kombination med värmebehandling och ytbehandlingstekniker, kommer att öppna upp för nya konstruktionsmöjligheter, säkerställa materialets integritet och minska riskerna och förseningarna i leveranskedjan.
Bodycote världens största aktör inom HIP-tillverkning, och våra avancerade tekniker för värmebehandling säkerställer att uppdragskritiska komponenter fungerar tillförlitligt även under de mest extrema förhållandena. Från reaktoraggregat med hög integritet och utrustning för vätskesystem till kärnfusionsforskningskärl – vårt globala nätverk är ett pålitligt val när det gäller att leverera metallurgisk spetskompetens som bidrar till koldioxidsnål energi, förlängd livslängd och kompromisslös kvalitet.
Framöver Bodycote goda förutsättningar att spela en central roll i arbetet med att omforma hur nya kärnreaktorer byggs och därefter bidra till att realisera dem i stor skala.
Denna artikel publicerades först i Nuclear Engineering International