La fabricación de aditivos, también conocidos como impresión 3D, ha logrado una innovación más rápida, costos más bajos y una mejor seguridad en el sector nuclear.
A medida que el sector energético global se mueve hacia soluciones bajas en carbono, la energía nuclear sigue siendo un pilar clave de la generación de energía sostenible. Desde Suecia, la energía nuclear ha proporcionado durante mucho tiempo electricidad confiable con emisiones mínimas de carbono. Sin embargo, la industria enfrenta desafíos duraderos. Infraestructura de envejecimiento, mayores costos para nuevas construcciones y la necesidad de métodos de fabricación más flexibles y eficientes.
Impresión del reactor 3D?
También conocido como impresión 3D, la fabricación aditiva (AM) permite la creación de geometría compleja por capa, proporcionando libertad de diseño y flexibilidad de fabricación. Para el sector nuclear, esto significa una innovación más rápida, costos reducidos y una mejor seguridad. El concepto básico de AM para los componentes del reactor es similar a las impresoras de filamentos de plástico comerciales donde las piezas están construidas con capas de material derretido por capa, pero la impresión 3D de metal implica temperaturas mucho más altas, utiliza polvos metálicos finos y se basa en un poderoso láser o haz de electrones para fusionar el material. Los materiales utilizados son bien conocidos y bien entendidos, como el omnipresente acero inoxidable 316, pero las incógnitas presentes en los componentes de AM siguen siendo un obstáculo para la adopción en la industria nuclear.
Respira nueva vida en el reactor envejecido
Muchos reactores nucleares suecos fueron comisionados entre finales de los años setenta y mediados de la década de 1980. A medida que estas instalaciones envejecen, la interrupción de las líneas de producción y los diseños obsoletos hace que sea cada vez más difícil adquirir piezas de reemplazo para sistemas obsoletos. AM proporciona soluciones al habilitar la replicación de componentes heredados que ya no están disponibles para uso comercial. A través de la ingeniería inversa y el modelado digital, AM puede replicar componentes complejos con alta precisión, asegurando la operación continua y la seguridad de la infraestructura de envejecimiento.
Aunque AM es ampliamente adoptado en las industrias aeroespaciales y médicas, su uso en aplicaciones nucleares aún está surgiendo. Los componentes fabricados con AM ya se han implementado en sistemas críticos que no son de seguridad dentro de las centrales nucleares. Sin embargo, la industria nuclear es uno de los sectores más regulados del mundo, y la adopción más amplia de nuevas tecnologías puede ser más lenta, especialmente para los componentes expuestos a los núcleos de reactores. Antes de usar nuevos materiales o componentes en un reactor nuclear, debe someterse a un proceso de calificación y aprobación de varios pasos que comienza con pruebas de laboratorio en condiciones simuladas y realiza experimentos con reactores de prueba de material. Luego, estos datos se analizan y se presentan a las autoridades reguladoras que realizan una revisión exhaustiva.
Los componentes generados por AM no son una excepción. A diferencia de los materiales tradicionales que se benefician de décadas de pruebas en el reactor y análisis posterior a la irradiación, los materiales AM carecen de una base comparable, incluso si tienen la misma composición que la contraparte fundida. Esto es particularmente relevante para la irradiación de neutrones, las altas temperaturas y los componentes expuestos a entornos de refrigerante de reactores donde los mecanismos de falla pueden estar fuertemente influenciados por la microestructura del material.
Los materiales AM generalmente exhiben diferentes microestructuras en comparación con los materiales de fundición tradicionales debido a su proceso de fabricación de por capa y tasas de solidificación rápidas, y a menudo exhiben estructuras de grano irregulares, partículas de polvo porosas o sin fundir. Estas características pueden tener un impacto significativo en la resistencia y el comportamiento de la corrosión bajo irradiación.
Condición de vanguardia
La caracterización de los componentes del reactor nuclear AM todavía está en sus primeras etapas. La irradiación iónica a menudo se usa como un proxy de la primera etapa para el daño de neutrones en las pruebas de material, ya que el daño generado es similar, pero no existe el riesgo de activar los componentes de irradiación que hacen que el análisis sea más difícil y costoso.
Los materiales irradiados se investigan utilizando la microscopía más avanzada, incluida la tomografía por sonda de átomos (APT). ATPT investiga el daño causado a estos materiales por irradiación en resoluciones casi atómicas, lo que permite una caracterización más integral.
Estoy deseando que llegue
La fabricación aditiva no es solo un detención de la infraestructura de envejecimiento, sino un facilitador clave de la tecnología nuclear de próxima generación. Sin embargo, reconocer el potencial de AM en la nuclear requiere una inversión continua en investigaciones, pruebas y desarrollo regulatorio. Esto solo se puede hacer a través de una estrecha cooperación y apoyo público entre la academia, la industria y los organismos regulatorios. Un excelente ejemplo de este enfoque conjunto es el Centro de Competencia Anita sueco, la Iniciativa de Tecnología Nuclear de la Industria Académica para lograr un futuro energético sostenible. Organizado por la Universidad de Uppsala en colaboración con los principales actores de la industria como Chalmers, KTH y Vattenfall y Westinghouse, Anita es una iniciativa nacional dedicada a apoyar el despliegue seguro y eficiente de reactores modulares (SMR) a pequeña escala. El centro financia la investigación de vanguardia en la ciencia de los materiales, la licencia, la participación pública y el diseño de reactores. La flexibilidad de las capacidades de prototipos AM y rápidos es naturalmente consistente con las propiedades modulares y escalables de SMR, lo que lo convierte en una poderosa combinación de energía nuclear en el futuro.
Mientras el mundo busca soluciones de energía resistentes y bajas en carbono, la fabricación de aditivos y la convergencia de tecnologías nucleares avanzadas ofrecen un camino atractivo. Iniciativas como Anita han colocado a Suecia a la vanguardia del renacimiento nuclear. El futuro de la energía nuclear podría imprimirse capa por capa.
Este artículo también se presentará en la 23a edición de trimestralmente Publicación.
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