Kada ljudi pomisle na nuklearne elektrane, njihove prve misli često se okreću masivnim strukturama poput spremnika, tlačnih posuda reaktora i generatora pare. Međutim, istinski kritične komponente zapravo su one neugledne "male šipke" smještene duboko unutar jezgre reaktora.
Ovi predmeti poznati su kao šipke za nuklearno gorivo. Svaki štap mjeri samo tri do četiri metra duljine-što je otprilike debljina ljudskog prsta. Ipak, jedna od ovih neupadljivih šipki stvara dovoljno energije za napajanje prosječnog kućanstva desetljećima.
Ruska nuklearna elektrana Rostov započinje testiranje naprednih gorivnih sklopova
Nuklearno gorivo se ne može koristiti izravno iz zemlje
Mnogi ljudi pretpostavljaju da je nuklearno gorivo poput ugljena-nešto što se može iskopati iz zemlje i odmah spaliti. To apsolutno nije slučaj.
Prirodna uranova ruda prvenstveno sadrži dva izotopa: uran-238 i uran-235. Izotop sposoban za nuklearnu fisiju je uran-235; međutim, čini manje od 1% prirodnog urana. Ostatak se u potpunosti sastoji od urana-238, koji se ne može koristiti izravno kao gorivo.
To je slično kao da želite jesti sjemenke suncokreta: možete imati cijelu vrećicu sjemenki, ali samo neke sadrže jestive jezgre, dok je ostatak samo ljuska.
Posljedično, nakon što se uranova ruda izvadi iz rudnika, mora proći složeni niz procesa: drobljenje, mljevenje, ispiranje, ekstrakcija, taloženje, obogaćivanje i više-od kojih nijedan nije jednostavan zadatak. Faza obogaćivanja posebno zahtijeva upotrebu-centrifuga velike brzine za odvajanje urana-235 od urana-238 - dvije tvari koje su fizički gotovo identične. Ovo je sofisticirana tehnologija koju je samo nekolicina zemalja diljem svijeta u potpunosti ovladala.
Kineska industrija urana postiže snažan početak ključnih inicijativa
Gorivo za vodene reaktore pod pritiskom nalikuje "energetskim olovkama"
Trenutačno velika većina nuklearnih elektrana u svijetu koristi reaktore s vodom pod tlakom (PWR). Primarno nuklearno gorivo koje se koristi u ovim reaktorima je uranov dioksid.
Uranov dioksid je keramički materijal. Preša se u male cilindrične kuglice-od kojih je svaka otprilike veličine medicinske pilule, promjera oko jednog centimetra i visine malo veće od jednog centimetra. Ovi mali cilindri poznati su kao "kuglice" nuklearnog goriva.
Metoda i postupak za pripremu uranovog dioksida
Te se kuglice zatim pune u vitku, duguljastu metalnu cijev. Ova cijev nije izrađena od običnog metala, već od legure cirkonija. Legura cirkonija ima posebno izvanredno svojstvo: apsorbira vrlo malo neutrona. Bitno je da neutroni prolaze kroz materijal cijevi uz minimalnu apsorpciju kako bi mogli pogoditi atome urana-235, održavajući tako reakciju nuklearne fisije. Kad bi se umjesto toga koristio drugi materijal-onaj s velikom sposobnošću apsorpcije neutrona, reaktor ne bi mogao funkcionirati.
Stijenke ovih cijevi od legure cirkonija samo su nekoliko desetinki milimetra-tanje, zapravo, od standardne bankovne kartice. Ipak, moraju izdržati ekstremne uvjete unutar reaktora: temperature koje prelaze 300 stupnjeva, tlakove koji prelaze 100 atmosfera i nemilosrdno, dugo-bombardiranje neutronima. Proizvodni proces zahtijeva tako nevjerojatnu preciznost da se unutar Kine broj poduzeća koja su u stanju to izvesti može nabrojati na prste jedne ruke.
Jedna gorivna šipka sastoji se od stotina gorivih kuglica naslaganih jedna na drugu.
Proces punjenja podsjeća na navlačenje kandiranog voća na ražanj.
Prvo se kuglice uranovog dioksida umeću jedna po jedna u cijevi od cirkonijeve legure; jedna cijev može primiti približno 300 peleta. Kuglice se ne mogu staviti u izravan kontakt jedna s drugom; između njih mora ostati mali razmak jer će se kuglice proširiti tijekom nuklearne reakcije. Krajevi cijevi zatim se hermetički zatvore krajnjim čepovima zavarivanjem, a unutrašnjost se napuni plinovitim helijem. Helij posjeduje izvrsnu toplinsku vodljivost, olakšavajući prijenos topline koju stvaraju kuglice iz unutrašnjosti cijevi u vanjsko okruženje.
Na ovaj način je završena jedna gorivna šipka.
Međutim, nuklearni reaktor ne zahtijeva samo jednu ili dvije gorivne šipke-niti čak jednu ili dvije stotine. Uzimajući tipični domaći reaktor s vodom pod tlakom (PWR) klase milijun-kilovat-za primjer, jezgra reaktora mora sadržavati između 40 000 i 50 000 gorivih šipki.
Logistički je nemoguće pojedinačno umetnuti 40.000 do 50.000 šipki; takva bi metoda oduzimala previše vremena-i onemogućila bi pravilnu strukturnu fiksaciju. Posljedično, u inženjerskoj praksi, te se šipke sastavljaju u "gorivne sklopove".
Gorivni sklop obično ima sljedeći oblik: snop od preko 200 gorivih šipki povezan je zajedno-uključujući gornje i donje krajnje ploče, kao i rešetke za razmak-kako bi se formirao uredan, pravocrtni snop. Odstojne rešetke posebno su kritične komponente; oni čvrsto učvršćuju 200-plus šipke u njihovim preciznim, određenim položajima dok održavaju male razmake između šipki kako bi se osigurao nesmetan protok rashladne vode.
Jedna jezgra reaktora obično prima više od 150 takvih gorivnih sklopova.
Istraživanje i simulacija analize trzajućeg trošenja u gorivim sklopovima
Preciznost proizvodnje u skladu sa standardima zrakoplovne industrije
Mnogi ljudi pretpostavljaju da proizvodnja nuklearnog goriva ne uključuje ništa više od jednostavne strojne obrade i sastavljanja; u stvarnosti, međutim, zahtjevi za preciznošću su nevjerojatno visoki.
Razmotrite, na primjer, odstojne rešetke: one imaju tisuće opruga i izbočina, od kojih se tolerancija dimenzija svake od njih mora kontrolirati unutar veličine debljine ljudske vlasi. Da je samo malo pomaknut, sile potpore na gorivim šipkama bile bi nejednake; tijekom dugotrajnog-rada, to je moglo dovesti do deformacije i vibracija.
Tu je i pitanje kontrole gustoće peleta goriva. Kuglice uranovog dioksida moraju biti prešane do dovoljne gustoće-ali ne *previše*. Ako je gustoća preniska, učinkovitost nuklearne reakcije pati; ako je previsok, nema dovoljno prostora za širenje pod zračenjem, što može uzrokovati pucanje obloge. Ovaj "baš pravi" raspon je izuzetno uzak, zahtijeva visoko zrele proizvodne procese kako bi se osigurala stabilna proizvodnja.
**Najveća proizvodna linija u našoj zemlji za sklopove goriva reaktora s vodom pod tlakom: gdje teče strast ere**
Iz perspektive napredne proizvodnje, proizvodnja nuklearnog goriva je u biti vrhunska-integracija višestrukih disciplina. Metalurgija praha, precizna strojna obrada, specijalizirano zavarivanje, ne-ispitivanje bez razaranja-svaka pojedinačna faza predstavlja vrhunac tehnološke izvrsnosti.
**Kamo ide istrošeno gorivo?**
Nuklearno gorivo obično ostaje u reaktoru tri do pet ciklusa, a svaki ciklus traje otprilike osamnaest mjeseci. Tijekom tog razdoblja, uran-235 se postupno troši, dok se novi nuklidi - poput plutonija-239 - istovremeno generiraju. Nakon što se energetski potencijal uvelike iscrpi, ovo gorivo postaje ono što je poznato kao "istrošeno gorivo".
Potrošeno gorivo nije otpad. Još uvijek sadrži neizgorjeli uran-235, kao i novogenerirani plutonij-239 - a oba su vrijedni nuklearni izvori. Na međunarodnoj razini, neke zemlje sudjeluju u ponovnoj obradi kako bi oporavile i ponovno upotrijebile te materijale. Naša zemlja također slijedi pristup "zatvorenog ciklusa": izdvajanje korisnih komponenti iz istrošenog goriva za izradu novih gorivnih sklopova.
**Domaće proizvedene transportne posude za istrošeno gorivo spremne za razbijanje stranog monopola: Prototip je prošao prijemno testiranje i spreman je za masovnu proizvodnju**
**Pitanje vrijedno razmišljanja**
Dok ovo pišem, pada mi na pamet misao: globalna potražnja za novim nuklearnim gorivom iznosi desetke tisuća tona godišnje; ipak, kada se radi o ključnim komponentama-kao što su visoko-precizne cijevi od cirkonijeve legure i-odstojne rešetke visokih performansi-samo nekolicina zemalja posjeduje sposobnost za njihovu proizvodnju.
Tijekom proteklih nekoliko godina naše domaće mogućnosti brzo su napredovale; prešli smo s potpunog oslanjanja na uvoz na mogućnost da sami proizvodimo većinu tih komponenti. Unatoč tome, za određene specifične vrste cirkonijevih legura-kao i određene vrste opreme za inspekciju-još uvijek ih moramo nabavljati iz inozemstva.
Uvijek sam vjerovao da je, u području proizvodnje nuklearnog goriva, krajnja determinanta uspjeha temeljni temelj nacije u osnovnim industrijama. Bez vrhunskih tehnika metalurgije praha, kvaliteta peleta goriva ne može se poboljšati; bez visoko{1}}mogućnosti precizne obrade, rešetke za pozicioniranje ne mogu zadovoljiti potrebne standarde; a bez rigoroznog sustava upravljanja kvalitetom komponente se ne mogu niti odobriti za ugradnju u nuklearni reaktor.
U konačnici, temeljna konkurentnost napredne proizvodnje ne leži samo u sposobnosti proizvodnje specifične komponente, već prije u sposobnosti da se u potpunosti integrira cijeli industrijski lanac i osigura njegov stabilan, pouzdan rad.
