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Aug 18, 2023

NUCOBAM: Incrementando la rentabilidad de la industria nuclear y mejorando la seguridad

El principal objetivo de NUclear COmponent Basado en Fabricación Aditiva (NUCOBAM) es

El principal objetivo de NUclear COmponent Based on Additive Manufacturing (NUCOBAM) es desarrollar el proceso de cualificación que permita el uso de dichos componentes metálicos de fabricación aditiva (FA) en una instalación nuclear. Una vez calificado, el uso de AM permitirá a la industria nuclear abordar los desafíos de la obsolescencia de los componentes, fabricar y operar nuevos componentes con un diseño optimizado. Esto aumentará la eficiencia y la seguridad del reactor. Estos desarrollos se utilizarán para tres aplicaciones principales en tres períodos diferentes:

Este proyecto investiga el proceso de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF) para consolidar materiales de acero inoxidable para componentes nucleares de reactores de agua ligera (LWR) existentes. Se examinan los mecanismos de degradación convencionales, como la irradiación, el envejecimiento térmico, las cargas mecánicas y el agrietamiento asistido por el medio ambiente, como la corrosión por grietas por deformación por tensión.

Para estudiar a fondo las propiedades físicas y mecánicas del acero inoxidable L-PBF, cuatro socios de NUCOBAM han producido muestras de fabricación aditiva: VTT, AMRC, Laborelec y CEA (ver ejemplo de proceso en la Fig. 1). El consorcio europeo, compuesto por 13 socios, combina sus habilidades y recursos para afrontar uno de los principales retos de los componentes de las centrales nucleares: el envejecimiento de los componentes, ya sea por los efectos de la irradiación de neutrones en el núcleo de los reactores o por problemas de envejecimiento térmico para siempre. periodos de servicio más prolongados.

Se consideraron dos aplicaciones en acero inoxidable (SS) 316L AM (ver Fig. 3) para las pruebas en servicio:

AM es de gran interés para componentes con geometría compleja, como rejillas, porque reduce tanto el costo como el tiempo en comparación con la fabricación convencional por remoción de material.

El filtro de desechos también es especialmente interesante para estudiar como un componente del núcleo y, por lo tanto, sujeto a la degradación por irradiación de neutrones.

Los componentes del cuerpo de la válvula AM son de gran interés porque están sujetos a tensiones térmicas y de presión, y deben enfrentar los problemas del envejecimiento de las aleaciones de acero inoxidable durante la operación a largo plazo.

Una vez que se han validado los diseños del filtro de desechos y la válvula de bola, se han establecido las especificaciones preliminares del proceso de fabricación aditiva (pAMPS).

Por lo tanto, NUCOBAM se ha fijado cinco objetivos técnicos y uno relacionado con la difusión, que se enumeran a continuación.

Establecer una metodología de calificación para los componentes nucleares AM que se propondrá para la normalización y se comunicará a los comités de código de diseño nuclear:La industria nuclear y los reguladores necesitan un proceso confiable de calificación y codificación para AM como base para la futura fabricación y uso de componentes en centrales nucleares.

Desarrolle un plan de fabricación de Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) que asegure y demuestre la estabilidad, repetibilidad y reproducibilidad del proceso que cumpla con los estándares de calidad nuclear:Los procesos de calificación y codificación tienen que asegurar que la FA proporcione resultados estables, homogéneos y reproducibles en términos de desempeño de los materiales.

Demostrar que el rendimiento del material L-PBF cumple con los requisitos de calificación:Los procesos de cualificación y codificación deben garantizar que la fabricación aditiva proporcione rendimientos de los materiales de acuerdo con los requisitos existentes para los procesos de fabricación convencionales.

Demostrar que el caso de uso de L-PBF en el núcleo cumple con su función relacionada con la seguridad y los requisitos operativos (ver IBAM en la Fig. 4):La operación segura y confiable de los componentes AM en un reactor debe demostrar que el comportamiento del material AM bajo irradiación es consistente con la experiencia de campo existente y no sufre ninguna degradación inaceptable.

Evaluar el rendimiento operativo de los componentes AM ex-core con respecto a la función relacionada con la seguridad y los requisitos operativos:El funcionamiento seguro y fiable de los componentes de AM en las centrales nucleares debe demostrar que los componentes de AM cumplen los requisitos funcionales específicos y que el material de AM no sufre ninguna degradación inaceptable.

Difundir y preparar la explotación de resultados con industrias nucleares y organismos reguladores en apoyo a la codificación e industrialización de AM:Se debe alcanzar un alto nivel de confianza y compartirlo entre la industria nuclear y el regulador para el funcionamiento futuro de los componentes AM en las centrales nucleares.

Se han fabricado los correspondientes demostradores y muestras asociadas y algunos de ellos serán sometidos a post-tratamiento (tratamiento térmico o alta presión isostática). Los resultados serán analizados y comparados con los procesos de fabricación existentes aprobados por los códigos de diseño. Este trabajo ayudará a evaluar los vacíos que deben llenarse antes de alcanzar los objetivos del proyecto y deducir los principales parámetros requeridos para la especificación.

NUCOBAM traerá importantes avances, que beneficiarán a:

Los socios a cargo de los diseños de dos componentes nucleares son industrias manufactureras potenciales como Framatome, Naval Group y Ramén Valve. Estos dos componentes se probarán para satisfacer los criterios de aceptación de la industria nuclear. Las propiedades del acero inoxidable 316L fabricado por el proceso L-BPF se estudiarán después de la irradiación. El socio belga SCK-CEN realizó el trabajo para preparar ocho cápsulas denominadas Comportamiento en pila de muestras fabricadas aditivamente (consulte el diseño de la cápsula IBAM en la Fig. 4). El proyecto es particularmente ambicioso en términos de irradiación: los materiales de acero inoxidable AM ​​316L se irradiarán a neutrones en el reactor de prueba BR2, así como en una planta de energía nuclear en funcionamiento. La irradiación ha comenzado hace aproximadamente 18 meses.

La estrategia de aceptación de la fabricación aditiva metálica en el sector nuclear es implementar directamente la cualificación del proceso y del componente en códigos y normas de diseño nuclear, como el código nuclear francés para las Reglas de Diseño y Construcción de Componentes Mecánicos o la norma americana. El proyecto ha definido nuevos métodos de control de calidad para garantizar la estabilidad, la repetibilidad y la reproducibilidad de los procesos de fabricación aditiva.

El borrador del método de calificación se entregó en el proyecto de mitad de período y se completará durante los próximos dos años del proyecto con los resultados de cuatro tareas principales: proceso de calificación, caracterización de materiales L-PBF 316L, resistencia de materiales irradiados y nuclear. pruebas de presión funcional y pruebas de envejecimiento térmico en el componente. La columna vertebral del estándar se definió en una etapa temprana del proyecto y definió todas las secciones requeridas para ser documentadas para tener un estándar consistente armonizado con el estándar nuclear existente en material 316L (obtenido por fabricación clásica y con los nuevos requisitos para AM que existen en otras normas nucleares no específicas). El objetivo es tener un documento de 'precodificación' para proponer en el código francés RCC-M.

Un grupo de usuarios finales está constituido por 17 industrias de nueve países; expertos de la industria nuclear en materiales; fabricación aditiva, evaluación mecánica, industria nuclear y codificación para promover el trabajo de NUCOBAM en el campo nuclear. Dará publicidad a los socios involucrados en la elaboración de los documentos de precodificación.

La gestión de la obsolescencia de las centrales nucleares sigue siendo un desafío técnico para los propietarios de activos europeos, porque los fabricantes de equipos originales (OEM), que históricamente estaban sujetos a requisitos de garantía de calidad nuclear, pueden no estar dispuestos a mantener su costosa calificación nuclear. La mayoría de esos fabricantes han desaparecido o han abandonado el sector nuclear. El proyecto ayudará a desarrollar calificaciones en profundidad para los nuevos fabricantes de componentes y equipos. La fabricación aditiva de metal tiene el potencial único de producir componentes casi en su forma en un proceso de fabricación de un solo paso, seguido de pasos de posprocesamiento. Este enfoque único simplificará la cadena de valor de fabricación y la hará más reactiva y eficaz para la entrega de piezas únicas. El desarrollo de un proceso de fabricación de este tipo podría mejorar la fiabilidad del material, reducir la secuencia de pasos de fabricación, desarrollar herramientas nuevas y más eficientes, mejorar el rendimiento del material y desarrollar un nuevo diseño de componentes para un nuevo diseño de central nuclear.

Luego, el proyecto contribuirá al diseño de componentes para el nuevo diseño de la central nuclear o la operación LWR existente para la rentabilidad de la industria nuclear, y para mejorar la seguridad nuclear con un diseño de componentes optimizado para un mayor rendimiento.

El proyecto contribuirá a crear una nueva industria de fabricación aditiva y apoyará el empleo en Europa.

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación y formación de Euratom 2014-2018 en virtud del acuerdo de subvención n.º 945313. El contenido de este documento refleja únicamente la opinión del autor. La Comisión Europea no es responsable del uso que pueda hacerse de la información que contiene.

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