Bodycote（Bodycote市场开发经理伊恩·托夫（Ian Tough）表示，热等静压等先进生产技术有助于缓解供应链瓶颈，并在快速扩张的核能领域开辟新的设计可能性。
因此，随着新的投资渠道和反应堆设计开始涌现，核能行业正在发生变革。此前，该行业以政府支持的巨型项目为特征，新建核电站造价高达数百亿美元，且耗时多年才能建成。 然而，迫切的能源需求正推动人们寻求更灵活、更具可扩展性的解决方案，尤其是小型模块化反应堆（SMR），其发电容量通常约为传统核反应堆的三分之一。较小的发电量意味着更小的占地面积，这在数据中心旁现场建设时至关重要。
亚马逊正押注小型模块化反应堆（SMR），以期为数据中心和人工智能提供无碳且可靠的电力，并已宣布计划在美国华盛顿州的一处先进核能设施内建造一座反应堆。与此同时，美国陆军正在物色潜在的商业供应商，以在九处军事设施内建设微型反应堆发电厂。
从长远来看，随着全球范围内数十座示范电站的建设，旨在将先进核聚变技术（即为太阳和其他恒星提供动力的过程）应用于发电厂规模的努力，将带来新的机遇。因此，人们对核技术的兴趣已达到历史最高点，该技术有望在多个行业和应用领域取得进展。
介绍新的生产技术
然而，核工业面临一个问题。核电新建项目历来呈现“时兴时衰”的特点，这导致供应体系出现整合，使得经验丰富且符合资质的供应商数量有限。在当前地缘政治形势日益不确定的背景下，关键核电生产能力的地域集中进一步加剧了供应风险。
关键在于，核电关键部件对精度要求极高，且需经过严格的质量控制，这导致订单积压严重且交货周期漫长。由于供应商数量有限，难以满足需求，部分铸件和锻件的交货期长达数月，甚至数年。与此同时，核电部件的严格要求使得传统制造工艺难以实现规模化生产。
正是在这一点上，更广泛地采用先进的生产技术可能会带来改变。 其中一种方法是粉末冶金热等静压（PM-HIP）技术，这是一种成熟工艺，在海底油气、航空航天和医疗等关键领域拥有悠久的应用历史，并且已通过核工业规范的认证。PM-HIP是一种先进的成形工艺，利用高压和高温将粉末合金制成具有卓越力学性能的近净形金属部件。 在核能应用领域，该工艺带来了多项变革性优势。其中包括显著缩短近净形部件的生产周期——由于部件可制造得更接近最终几何形状，与传统方法相比，大幅减少了大量机加工、焊接和后处理的需求。此外，PM-HIP还得到了美国、英国和欧盟成熟且分布广泛的供应链体系的支持，这有助于缓解其他工艺所面临的诸多供应链限制。
该工艺还具有显著的技术优势。PM-HIP 能够生产出无裂纹、无气孔的部件，从而提升部件性能。首先，将雾化金属粉末装入金属板制成的容器中，然后在等静压氩气压力（最高 45,000 psi）作用下，将其置于高达 2,000°C 的高温环境中。 在接近材料熔点但略低于其熔点的极端条件下，粉末发生冶金结合，从而消除了气孔和内部空隙。粉末转变为致密固体，形成的微观结构完全各向同性，使部件在各个方向上均表现出均匀的力学性能。这种细密、各向同性的微观结构可制造出更坚固、更抗疲劳的部件——这是核应用场景中至关重要的技术特性。
更大的设计灵活性也是一个重要因素，它使工程师能够采用其他工艺（如铸造或锻造）无法实现的拓扑结构来重新思考零部件设计。通过PM-HIP工艺，更容易实现具有集成特征的复杂几何形状，将多个零件整合为单个部件；甚至可以通过PM-HIP或HIP扩散焊接实现双金属设计。 这可以减少焊缝和检测点，并将焊缝移离高应力区域，因此 PM-HIP 使设计能够从制造导向转向集成设计。然而，要实现这些优势，需要在设计阶段尽早介入，并摆脱传统的以制造为导向的思维方式。
未来，PM-HIP 甚至可能支持使用直接能量沉积式电弧增材制造（WAAM）等新技术，该技术通过逐层沉积金属，直至形成所需的 3D 形状。WAAM 在生产大型、高度优化的金属零件方面具有巨大潜力，但在许多情况下仍需进行 HIP 后处理以确保零件的完整性。 在此背景下，HIP 成为一个关键步骤，可确保核级零部件所需的密度和一致性。
核能领域的PM-HIP应用案例
那么，这些能力如何应用于那些对精度、可靠性和安全性绝不容妥协的潜在核应用领域呢？对于传统的裂变反应堆，PM-HIP技术可用于制造高完整性的主回路部件，例如管道和连接件，以及反应堆内部组件和承压部件。
该技术还特别适合小型模块化反应堆（SMR）市场，在该市场中，无需昂贵的模具或传统基础设施即可实现零部件的中小批量生产。其与模块化建造原则的兼容性，使其成为未来反应堆的理想选择。与此同时，对于先进聚变反应堆，该技术可用于制造高温、高负荷面板——这一点已通过为法国南部卡达拉什的国际热核聚变实验堆（ITER）设施生产等离子体面对墙面板得到了验证。
ITER聚变反应堆内部的关键组件（如包层系统）需要采用热等静压工艺，以对反应堆进行屏蔽（来源：ITER）
关键在于，PM-HIP等先进生产技术可作为技术工具箱的一部分，为核电性能提供支撑。例如，热处理和表面工程在确保每个核电部件满足极端运行环境下对安全、可追溯性和长期性能的极其严苛标准方面，也发挥着至关重要的作用。材料加工决定了强度、耐久性、耐腐蚀性和耐磨性等性能，必须以一致、完全受控且符合规范的方式进行。
Bodycote 战略合作，旨在评估利用 Blykalla 的专有材料，通过 HIP 工艺制造反应堆部件的可行性（来源：Folk Studion）
通过实施特定的热处理工艺（如过淬火、回火、时效、固溶退火和稳定化处理），可使不同种类的不锈钢和镍基部件具备所需的使用性能。典型的热处理部件包括管道、泵件、环件和轴件。与此同时，表面工程同样发挥着至关重要的作用，它能防止控制棒机构等关键系统中的磨损、腐蚀和咬合，而这些系统的可靠性对反应堆的安全运行至关重要。
简而言之，先进的核工业制造依赖于一个技术生态系统。任何部件若未经先进的生产工艺、受控的热处理和表面工程处理，都无法进入反应堆；该行业将越来越依赖于一个由冶金供应商组成的全球网络，这些供应商能够缩短交货周期、优化设计、延长使用寿命，并长期提供毫不妥协的品质。
选择合适的生产合作伙伴
因此，随着投资增加和新型发电机组的问世，核能领域正迎来一个令人振奋的时代。然而，该行业的未来成功将取决于速度、可扩展性和信任。
先进的热处理工艺将在这一发展进程中发挥关键作用。PM-HIP等技术，结合热处理和表面处理技术，将开辟新的设计可能性，确保材料完整性，并降低供应链风险和延误。
Bodycote 全球最大的HIP（热冲击处理）制造服务提供商，我们先进的热处理技术确保关键任务部件在最极端条件下仍能可靠运行。从高完整性反应堆组件和流体系统硬件到聚变研究容器，我们的全球网络凭借卓越的冶金技术赢得了广泛信赖，为低碳能源、延长使用寿命和毫不妥协的质量提供有力支持。
展望未来，Bodycote 充分准备，将在重新构想新型核反应堆的建造方式并协助实现其大规模建造方面发挥核心作用。