La fabricación se encuentra con la regulación nuclear
Los reactores nucleares avanzados enfrentan una paradoja: los diseños que se están desarrollando hoy se supone que son más seguros, eficientes y flexibles que los reactores de agua ligera existentes, pero los caminos regulatorios que rigen su construcción fueron escritos para los métodos de fabricación de la generación anterior. Los materiales que no estaban disponibles o eran impracticables cuando se escribieron los códigos ahora se pueden producir con alta precisión, pero no se pueden usar legalmente en componentes nucleares hasta que reciban aprobación formal a través de procesos estándar que pueden tomar muchos años.
El Laboratorio Nacional de Argonne está trabajando para cerrar esa brecha. Los investigadores en Argonne han presentado un borrador de Caso de Código a la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos que permitiría el uso de Laser Powder Bed Fusion, una técnica de fabricación aditiva de alta precisión, para componentes utilizados en aplicaciones de reactores nucleares de alta temperatura. Si se aprueba, el cambio de código abriría la puerta a la fabricación de piezas de calidad nuclear con complejidad geométrica y propiedades de materiales que los métodos de mecanizado tradicionales no pueden lograr eficientemente.
Lo que ofrece Laser Powder Bed Fusion
Laser Powder Bed Fusion es uno de los procesos de impresión 3D de metal más capaces disponibles. Un láser de alta potencia fusiona selectivamente polvo de metal capa por capa, con resolución de características medida en fracciones de milímetro, para producir piezas con geometrías internas complejas, canales de enfriamiento optimizados y composiciones de materiales personalizadas que serían impracticables o imposibles de mecanizar a partir de un bloque sólido. Para componentes de reactores nucleares, esto se traduce directamente en libertad de diseño que los ingenieros no han podido explotar previamente.
Los componentes del reactor sometidos a altas temperaturas y flujo de neutrones requieren materiales con propiedades microestructurales precisas. La fabricación convencional se basa en secuencias cuidadosamente controladas de tratamiento térmico y mecanizado para lograr esas propiedades en geometrías simples. LPBF puede producir microestructuras equivalentes o superiores en formas complejas controlando el historial térmico de cada capa depositada a través de parámetros láser. El resultado es una pieza que iguala o supera la calidad de la fabricación tradicional mientras permite geometrías que mejoran el rendimiento térmico, reducen peso o simplifican el montaje.
El proceso de Caso de Código ASME
El Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión es el estándar técnico autorizado para equipos que soportan presión en instalaciones nucleares en los Estados Unidos. Los materiales y procesos utilizados en componentes nucleares relacionados con la seguridad deben tener aprobación explícita de Caso de Código antes de poder incorporarse en instalaciones con licencia. Obtener esa aprobación requiere presentar datos técnicos sobre propiedades de materiales, controles de procesos de fabricación y métodos de examen no destructivo a comités de ASME que revisen y voten sobre nuevos Casos de Código.
El envío del borrador de Caso de Código de Argonne es el inicio formal de ese proceso para LPBF. El equipo ha recopilado datos sobre las propiedades mecánicas de muestras de acero inoxidable y aleaciones de níquel producidas por LPBF en el rango de temperatura relevante para la operación de reactores avanzados, y ha demostrado que esas propiedades cumplen o superan los mínimos requeridos para servicio nuclear.
Implicaciones de cadena de suministro y diseño
La cadena de suministro de la industria nuclear para componentes especializados está notablemente restringida. El universo de fabricantes capaces de producir forjas, fundiciones y componentes mecanizados de calidad nuclear es pequeño, sus procesos de calificación son largos, y sus tiempos de entrega para piezas críticas se miden en años. Este cuello de botella de la cadena de suministro ha sido identificado repetidamente como un factor que limita el ritmo al que se pueden construir proyectos de reactores avanzados.
La fabricación LPBF no requiere la misma infraestructura de fundición especializada que la producción convencional de componentes nucleares. Una vez que un fabricante recibe aprobación de Caso de Código para su proceso LPBF específico y equipo, puede producir nuevos componentes de reactor con tiempos de entrega medidos en semanas en lugar de años para piezas más simples, y meses en lugar de muchos años para componentes complejos.
Presión de cronograma de reactor avanzado
El tiempo del impulso de Caso de Código de Argonne refleja la urgencia creciente en torno a la implementación de reactores avanzados. Docenas de diseños de reactores avanzados, incluyendo microreactores para ubicaciones remotas, diseños de sal fundida y reactores de gas de alta temperatura, están progresando a través de procesos de revisión de NRC con la expectativa de que algunos reciban permisos de construcción en los próximos años. Cada uno de esos diseños requiere una cadena de suministro de componentes calificados, y la ausencia de LPBF como método de fabricación aprobado ha sido una restricción en la flexibilidad de diseño.
Si el Caso de Código procede a través de la revisión de ASME en un cronograma normal, la aprobación podría llegar dentro de dos a tres años, alineándose con los cronogramas de construcción para los proyectos de próxima generación más avanzados y proporcionando una opción de fabricación que no existía para la generación actual de diseños de reactores.
Este artículo se basa en informes de Interesting Engineering. Lea el artículo original.
Originally published on interestingengineering.com