A fabricação encontra a regulação nuclear
Os reatores nucleares avançados enfrentam um paradoxo: os designs que estão sendo desenvolvidos hoje devem ser mais seguros, mais eficientes e mais flexíveis que os reatores de água leve existentes, mas os caminhos regulatórios que governam sua construção foram escritos para os métodos de fabricação da geração anterior. Materiais que eram indisponíveis ou impraticáveis quando os códigos foram escritos agora podem ser produzidos com alta precisão - mas não podem ser usados legalmente em componentes nucleares até que recebam aprovação formal através de processos de padrões que podem levar muitos anos.
O Laboratório Nacional de Argonne está trabalhando para fechar essa lacuna. Os pesquisadores em Argonne apresentaram um rascunho de Code Case à Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos que permitiria o uso de Laser Powder Bed Fusion - uma técnica de fabricação aditiva de alta precisão - para componentes usados em aplicações de reatores nucleares de alta temperatura. Se aprovado, a mudança de código abriria a porta para a fabricação de peças de qualidade nuclear com complexidade geométrica e propriedades de materiais que os métodos tradicionais de usinagem não podem alcançar eficientemente.
O que Laser Powder Bed Fusion oferece
Laser Powder Bed Fusion é um dos processos de impressão 3D em metal mais capazes disponíveis. Um laser de alta potência funde seletivamente pó de metal camada por camada, com resolução de características medida em frações de milímetro, para produzir peças com geometrias internas complexas, canais de resfriamento otimizados e composições de materiais personalizadas que seriam impraticáveis ou impossíveis de usinar a partir de um bloco sólido. Para componentes de reatores nucleares, isso se traduz diretamente em liberdade de design que os engenheiros não conseguiram explorar anteriormente.
Os componentes do reator sujeitos a altas temperaturas e fluxo de nêutrons requerem materiais com propriedades microestruturais precisas. A fabricação convencional depende de sequências cuidadosamente controladas de tratamento térmico e usinagem para alcançar essas propriedades em geometrias simples. LPBF pode produzir microestruturas equivalentes ou superiores em formas complexas controlando o histórico térmico de cada camada depositada através de parâmetros a laser. O resultado é uma peça que iguala ou supera a qualidade da fabricação tradicional, enquanto permite geometrias que melhoram o desempenho térmico, reduzem peso ou simplificam a montagem.
O processo de Code Case ASME
O Código ASME para Caldeiras e Recipientes sob Pressão é o padrão técnico autorizado para equipamentos que suportam pressão em instalações nucleares nos Estados Unidos. Os materiais e processos utilizados em componentes nucleares relacionados à segurança devem ter aprovação explícita de Code Case antes de poderem ser incorporados em instalações licenciadas. A obtenção dessa aprovação requer a apresentação de dados técnicos sobre propriedades de materiais, controles de processos de fabricação e métodos de exame não destrutivo aos comitês ASME que revisam e votam novos Code Cases.
O envio do rascunho de Code Case de Argonne é o início formal desse processo para LPBF. A equipe reuniu dados sobre as propriedades mecânicas de amostras de aço inoxidável e liga de níquel produzidas por LPBF na faixa de temperatura relevante para a operação de reatores avançados, e demonstrou que essas propriedades atendem ou excedem os mínimos necessários para serviço nuclear.
Implicações da cadeia de suprimentos e design
A cadeia de suprimentos da indústria nuclear para componentes especializados é notavelmente limitada. O universo de fabricantes capazes de produzir forjamentos, fundições e componentes usinados de qualidade nuclear é pequeno, seus processos de qualificação são longos, e seus prazos de entrega para peças críticas são medidos em anos. Esse gargalo da cadeia de suprimentos foi identificado repetidamente como um fator que limita o ritmo em que os projetos de reatores avançados podem ser construídos.
A fabricação LPBF não requer a mesma infraestrutura de fundição especializada que a produção convencional de componentes nucleares. Uma vez que um fabricante recebe aprovação de Code Case para seu processo LPBF específico e equipamento, ele pode produzir componentes de reator inovadores com prazos de entrega medidos em semanas em vez de anos para peças mais simples, e meses em vez de muitos anos para componentes complexos.
Pressão da linha do tempo de reatores avançados
O momento do impulso de Code Case de Argonne reflete a urgência crescente em torno da implantação de reatores avançados. Dezenas de designs de reatores avançados - incluindo microrreatores para locais remotos, designs de sal fundido e reatores de gás de alta temperatura - estão progredindo através de processos de revisão da NRC com a expectativa de que alguns recebam permissões de construção nos próximos anos. Cada um desses designs requer uma cadeia de suprimentos de componentes qualificados, e a ausência de LPBF como método de fabricação aprovado foi uma restrição à flexibilidade de design.
Se o Code Case progredir através da revisão ASME em um cronograma normal, a aprovação poderia chegar dentro de dois a três anos - alinhando-se com os cronogramas de construção para os projetos de próxima geração mais avançados e fornecendo uma opção de fabricação que não existia para a geração atual de designs de reatores.
Este artigo é baseado em reportagem da Interesting Engineering. Leia o artigo original.
Originally published on interestingengineering.com