Kun ihmiset ajattelevat ydinvoimaloita, heidän ensimmäiset ajatuksensa kääntyvät usein massiivisiin rakenteisiin, kuten suoja-astioihin, reaktoripaineastioihin ja höyrystimiin. Kuitenkin todella kriittiset komponentit ovat itse asiassa niitä vaatimattomia "pieniä sauvoja", jotka sijaitsevat syvällä reaktorin sydämessä.
Nämä tuotteet tunnetaan ydinpolttoainesauvoina. Jokainen sauva on vain noin kolmesta neljään metriä pitkä-suunnilleen ihmisen sormen paksuus. Silti yksikin näistä huomaamattomista sauvoista tuottaa tarpeeksi energiaa keskimääräisen kotitalouden tehoon vuosikymmeniä.
Venäjän Rostovin ydinvoimala alkaa testata kehittyneitä polttoainekokoonpanoja
Ydinpolttoainetta ei voida käyttää suoraan maasta
Monet ihmiset olettavat, että ydinpolttoaine on aivan kuin hiili{0}}jotain, joka voidaan kaivaa maasta ja polttaa välittömästi. Tämä ei todellakaan pidä paikkaansa.
Luonnonuraanimalmi sisältää pääasiassa kahta isotooppia: uraani-238 ja uraani-235. Isotooppi, joka pystyy läpikäymään ydinfissiota, on uraani-235; sen osuus luonnonuraanista on kuitenkin alle 1 %. Loppuosa koostuu kokonaan uraani-238:sta, jota ei voida käyttää suoraan polttoaineena.
Se on kuin haluaisi syödä auringonkukansiemeniä: sinulla saattaa olla kokonainen pussi siemeniä, mutta vain muutama sisältää syötäviä ytimiä, kun taas loput on pelkkää kuorta.
Näin ollen, kun uraanimalmi louhitaan kaivoksesta, siihen on suoritettava monimutkainen sarja prosesseja: murskaus, jauhatus, uutto, uuttaminen, saostus, rikastus ja paljon muuta,-joista mikään ei ole yksinkertaista. Erityisesti rikastusvaihe edellyttää nopean -sentrifugien käyttöä uraani-235:n erottamiseksi uraani-238-kahdesta fysikaalisesti lähes identtisestä aineesta. Tämä on hienostunut tekniikka, jonka vain kourallinen kansakuntia maailmanlaajuisesti on hallinnut täysin.
Kiinan uraaniteollisuus saa vahvan alun keskeisille aloitteille
Painevesireaktoreiden polttoaine muistuttaa "energiakyniä"
Tällä hetkellä valtaosa ydinvoimaloista maailmanlaajuisesti käyttää painevesireaktoreita (PWR). Näissä reaktoreissa käytetty ensisijainen ydinpolttoaine on uraanidioksidi.
Uraanidioksidi on keraaminen materiaali. Se puristetaan pieniksi lieriömäisiksi pelleteiksi-, joista kukin on suunnilleen lääkepillerin kokoinen ja joiden halkaisija on noin yksi senttimetri ja korkeus hieman yli sentin. Nämä pienet sylinterit tunnetaan ydinpolttoaineen "pelleteinä".
Menetelmä ja prosessi uraanidioksidin valmistamiseksi
Nämä pelletit ladataan sitten ohueen, pitkänomaiseen metalliputkeen. Tämä putki ei ole valmistettu tavallisesta metallista, vaan zirkoniumseoksesta. Zirkoniumseoksella on erityisen merkittävä ominaisuus: se absorboi hyvin vähän neutroneja. On olennaista, että neutronit kulkevat putken materiaalin läpi minimaalisella absorptiolla, jotta ne voivat osua uraani-235-atomeihin ja ylläpitää näin ydinfissioreaktiota. Jos sen sijaan käytettäisiin jotain muuta materiaalia,{6}}jolla on vahva neutroniabsorptiokapasiteetti, reaktori ei pystyisi toimimaan.
Näiden zirkoniumseosputkien seinämät ovat itse asiassa vain muutaman millimetrin kymmenesosan paksuiset-ohemmat kuin tavallisen pankkikortin. Silti niiden on kestettävä reaktorin äärimmäiset olosuhteet: yli 300 asteen lämpötilat, yli 100 ilmakehän paineet ja säälimätön, pitkäaikainen neutronien pommittaminen. Valmistusprosessi vaatii niin poikkeuksellista tarkkuutta, että Kiinan sisällä sen toteuttamiseen kykenevien yritysten määrä voidaan laskea yhdellä kädellä.
Yksi polttoainesauva koostuu sadoista polttoainepelleteistä, jotka on pinottu päällekkäin.
Latausprosessi muistuttaa sokeroitujen hedelmien pujottamista vartaan.
Ensin uraanidioksidipelletit työnnetään yksitellen zirkoniumseosputkiin; yhteen putkeen mahtuu noin 300 pellettiä. Pellettejä ei voi asettaa suoraan kosketukseen toistensa kanssa; Niiden väliin on jätettävä pieni rako, koska pelletit laajenevat ydinreaktion aikana. Putken päät suljetaan sitten hermeettisesti päätytulpilla hitsaamalla ja sisäpuoli täytetään heliumkaasulla. Heliumilla on erinomainen lämmönjohtavuus, mikä helpottaa pellettien tuottaman lämmön siirtymistä putken sisältä ulkoympäristöön.
Tällä tavalla yksi polttoainesauva valmistuu.
Ydinreaktori ei kuitenkaan vaadi vain yhtä tai kahta polttoainesauvaa{0}}eikä edes yhtä tai kahta sataa. Esimerkkinä tyypillinen kotimainen miljoona{2}}kilowattia-luokan painevesireaktori (PWR), reaktorin sydämessä on oltava 40 000–50 000 polttoainesauvaa.
Logistisesti on mahdotonta asettaa 40 000 - 50 000 sauvaa yksitellen; tällainen menetelmä olisi aivan liian- aikaa vievä ja estäisi kunnollisen rakenteellisen kiinnityksen. Tämän seurauksena insinöörikäytännössä nämä tangot kootaan "polttoainekokoonpanoiksi".
Polttoainenippu on tyypillisesti seuraavanlainen: yli 200 polttoainesauvan nippu on sidottu yhteen, -joissa on ylä- ja alapäätylevyt sekä välilevyt-, jolloin muodostuu siisti, suoraviivainen nippu. Välilevyritilät ovat erityisen tärkeitä komponentteja; ne ankkuroivat tiukasti yli 200 tangoa tarkkoihin, määrättyihin asentoihinsa pitäen samalla pieniä rakoja sauvojen välillä jäähdytysveden esteettömän virtauksen varmistamiseksi.
Yhdelle reaktorisydämelle mahtuu tyypillisesti yli 150 tällaista polttoainenippua.
Polttoainekokoonpanojen kulumisen tutkimus ja simulointianalyysi
Valmistustarkkuus vastaa ilmailustandardeja
Monet ihmiset olettavat, että ydinpolttoaineen valmistukseen ei liity muuta kuin yksinkertaista koneistusta ja kokoonpanoa; todellisuudessa tarkkuusvaatimukset ovat kuitenkin hämmästyttävän korkeat.
Harkitse esimerkiksi välilevyjä: niissä on tuhansia jousia ja ulkonemia, joiden jokaisen mittatoleranssi on säädettävä hiuksen paksuuden rajoissa. Jos se olisi ollut hieman poissa, polttoainesauvojen tukivoimat olisivat olleet epätasaisia; Pitkän-käytön aikana tämä olisi voinut aiheuttaa muodonmuutoksia ja tärinää.
Sitten on kysymys polttoainepellettien tiheyden hallinnasta. Uraanidioksidipelletit on puristettava riittävän tiheäksi -mutta ei kuitenkaan *liian* tiheiksi. Jos tiheys on liian pieni, ydinreaktion tehokkuus kärsii; jos se on liian korkea, säteilytyksen aikana ei ole tarpeeksi tilaa laajentumiselle, mikä voi aiheuttaa verhouksen halkeilua. Tämä "juuri oikea" valikoima on erittäin kapea, ja se vaatii erittäin kypsiä valmistusprosesseja vakaan tuotannon varmistamiseksi.
**Maamme suurin tuotantolinja painevesireaktorien polttoainekokoonpanoille: missä aikakauden intohimo virtaa**
Edistyneen valmistuksen näkökulmasta ydinpolttoaineen valmistus on pohjimmiltaan monien tieteenalojen huippuluokan{0}}integraatiota. Jauhemetallurgia, tarkkuustyöstö, erikoishitsaus, -tuhoamaton testaus-jokainen yksittäinen vaihe edustaa teknologisen huippuosaamisen huippua.
**Mihin käytetty polttoaine menee?**
Ydinpolttoaine pysyy reaktorissa tyypillisesti kolmesta viiteen sykliä, joista jokainen kestää noin kahdeksantoista kuukautta. Tänä aikana uraani-235 kulutetaan vähitellen, ja samalla syntyy uusia nuklideja, kuten plutonium-239:ää. Kun energiapotentiaali on suurelta osin käytetty, tästä polttoaineesta tulee niin sanottu "käytetty polttoaine".
Käytetty polttoaine ei ole jätettä. Se sisältää edelleen palamatonta uraania{5}}235:tä sekä äskettäin tuotettua plutonium-239:ää, jotka molemmat ovat arvokkaita ydinresursseja. Kansainvälisesti jotkin maat osallistuvat jälleenkäsittelyyn näiden materiaalien talteenottamiseksi ja uudelleenkäyttöön. Maamme noudattaa myös "suljetun syklin" lähestymistapaa: hyödyllisten komponenttien erottamista käytetystä polttoaineesta uusien polttoainenippujen valmistamiseksi.
**Kotimaisesti tuotetut käytetyn polttoaineen kuljetussäiliöt murtautuvat ulkomaiseen monopoliin: prototyyppi läpäisee hyväksymistestauksen ja on valmis massatuotantoon**
**Pohdiskelun arvoinen kysymys**
Tätä kirjoittaessani mieleeni tulee ajatus: uuden ydinpolttoaineen globaali kysyntä on kymmeniä tuhansia tonneja vuodessa; mutta mitä tulee ydinkomponentteihin,-kuten korkean-tarkkoihin zirkoniumseosputkiin ja tehokkaisiin-välikeritiloihin-vain muutamalla maalla on kyky valmistaa niitä.
Muutaman viime vuoden aikana kotimaiset valmiutemme ovat kehittyneet nopeasti; Olemme siirtyneet täysin tuontiriippuvuudesta siihen, että pystymme valmistamaan suurimman osan näistä komponenteista itse. Joitakin tiettyjä zirkoniumseoslaatuja varten-sekä tietyntyyppisiä tarkastuslaitteita-joudumme kuitenkin edelleen hankkimaan ulkomailta.
Olen aina uskonut, että ydinpolttoaineen valmistuksen alalla menestyksen perimmäinen määräävä tekijä on kansakunnan perustana perusteollisuudessa. Polttoainepellettien laatua ei voida parantaa ilman ylivoimaisia jauhemetallurgiatekniikoita; ilman suurta-tarkkuustyöstöä paikannusristikko ei voi täyttää vaadittuja standardeja. ja ilman tiukkaa laadunhallintajärjestelmää komponentteja ei voida edes hyväksyä asennettavaksi ydinreaktoriin.
Viime kädessä edistyneen valmistuksen ydinkilpailukyky ei ole pelkästään kyvyssä tuottaa tietty komponentti, vaan pikemminkin kyky integroida koko teollisuusketju ja varmistaa sen vakaa ja luotettava toiminta.
