Ko ljudje pomislijo na jedrske elektrarne, se njihove prve misli pogosto obrnejo na ogromne strukture, kot so zadrževalne posode, reaktorske tlačne posode in generatorji pare. Vendar pa so resnično kritične komponente pravzaprav tiste skromne "majhne palice", ki se nahajajo globoko v jedru reaktorja.
Ti predmeti so znani kot jedrske gorivne palice. Vsaka palica meri le približno tri do štiri metre v dolžino-kar je približno debelina človeškega prsta. Vendar ena sama od teh neopaznih palic proizvede dovolj energije za napajanje povprečnega gospodinjstva desetletja.
Ruska jedrska elektrarna Rostov je začela testirati napredne gorivne sklope
Jedrskega goriva ni mogoče uporabiti neposredno iz zemlje
Mnogi ljudje domnevajo, da je jedrsko gorivo tako kot premog-nekaj, kar je mogoče izkopati iz zemlje in takoj zažgati. To nikakor ne drži.
Naravna uranova ruda vsebuje predvsem dva izotopa: uran-238 in uran-235. Izotop, ki je sposoben jedrske cepitve, je uran-235; vendar predstavlja manj kot 1 % naravnega urana. Preostanek je v celoti sestavljen iz urana-238, ki ga ni mogoče uporabiti neposredno kot gorivo.
To je podobno kot bi želeli jesti sončnična semena: morda imate celo vrečko semen, a le nekaj jih vsebuje užitna jedrca, ostalo pa je le lupina.
Posledično mora biti uranova ruda, ko je iz rudnika pridobljena, podvržena zapletenemu nizu procesov: drobljenje, mletje, izpiranje, ekstrakcija, obarjanje, obogatitev in več-od katerih nobeden ni preprosta naloga. Zlasti stopnja obogatitve zahteva uporabo-centrifug z visoko hitrostjo za ločevanje urana-235 od urana-238 – dveh snovi, ki sta fizično skoraj enaki. To je sofisticirana tehnologija, ki jo v celoti obvlada le peščica držav po vsem svetu.
Kitajska industrija urana dosega močan začetek ključnih pobud
Gorivo za vodne reaktorje pod tlakom spominja na "energijske svinčnike"
Trenutno velika večina jedrskih elektrarn po vsem svetu uporablja reaktorje s tlačno vodo (PWR). Primarno jedrsko gorivo, ki se uporablja v teh reaktorjih, je uranov dioksid.
Uranov dioksid je keramični material. Stisnjen je v majhne valjaste pelete-, od katerih je vsak približno velik kot medicinska tabletka, s premerom približno en centimeter in višino, ki nekoliko presega en centimeter. Te majhne jeklenke so znane kot "peleti" jedrskega goriva.
Metoda in postopek za pripravo uranovega dioksida
Ti peleti se nato naložijo v vitko, podolgovato kovinsko cev. Ta cev ni narejena iz običajne kovine, temveč iz cirkonijeve zlitine. Cirkonijeva zlitina ima posebno izjemno lastnost: absorbira zelo malo nevtronov. Bistveno je, da gredo nevtroni skozi material cevi z minimalno absorpcijo, da lahko zadenejo atome urana-235 in tako vzdržujejo reakcijo jedrske cepitve. Če bi namesto tega uporabili drug material-z veliko sposobnostjo absorpcije nevtronov, reaktor ne bi mogel delovati.
Stene teh cevi iz cirkonijeve zlitine so pravzaprav le nekaj desetink milimetra-tanjše od standardne bančne kartice. Kljub temu morajo vzdržati ekstremne razmere v reaktorju: temperature, ki presegajo 300 stopinj, pritiske, ki presegajo 100 atmosfer, in neusmiljeno, dolgoročno-obstreljevanje nevtronov. Proizvodni proces zahteva tako izjemno natančnost, da je na Kitajskem mogoče prešteti število podjetij, ki so ga sposobna izvesti.
Ena gorivna palica je sestavljena iz več sto gorivnih kroglic, ki so zložene ena na drugo.
Postopek nalaganja je podoben navijanju kandiranega sadja na nabodalo.
Najprej se kroglice uranovega dioksida eno za drugo vstavijo v cevi iz cirkonijeve zlitine; ena cev lahko sprejme približno 300 peletov. Peletov ni mogoče postaviti v neposreden stik drug z drugim; med njimi je treba pustiti majhno vrzel, saj se bodo kroglice med jedrsko reakcijo razširile. Konci cevi se nato hermetično zaprejo s čepi z varjenjem, notranjost pa se napolni s plinom helijem. Helij ima odlično toplotno prevodnost, kar olajša prenos toplote, ki jo ustvarijo peleti, iz notranjosti cevi v zunanje okolje.
Na ta način je dokončana ena gorivna palica.
Vendar pa jedrski reaktor ne potrebuje le ene ali dveh gorivnih palic-niti niti ene ali dvesto. Če za primer vzamemo tipičen domači tlačnovodni reaktor (PWR) razreda milijon{2}}kilovatov-, mora biti sredica reaktorja vsebovati med 40.000 in 50.000 gorivnih palic.
Logistično je nemogoče posamezno vstaviti 40.000 do 50.000 palic; taka metoda bi bila preveč zamudna-in bi onemogočila pravilno strukturno pritrditev. Posledično se v inženirski praksi te palice sestavljajo v "gorivne sklope".
Gorivni sklop ima običajno naslednjo obliko: snop več kot 200 gorivnih palic je povezan-vključno z zgornjo in spodnjo končno ploščo ter distančnimi mrežami-, da tvori čist, pravokoten snop. Distančne mreže so posebej kritične komponente; trdno zasidrajo 200-plus palice v njihovih natančnih, določenih položajih, medtem ko ohranjajo majhne vrzeli med palicami, da zagotovijo neoviran pretok hladilne vode.
Eno jedro reaktorja običajno sprejme več kot 150 takih gorivnih elementov.
Raziskovalna in simulacijska analiza fretting obrabe v gorivnih sklopih
Natančnost izdelave na ravni vesoljskih standardov
Mnogi ljudje domnevajo, da izdelava jedrskega goriva ne vključuje nič drugega kot preprosto strojno obdelavo in sestavljanje; v resnici pa so zahteve glede natančnosti osupljivo visoke.
Razmislite o distančnih mrežah, na primer: imajo na tisoče vzmeti in izboklin, od katerih je treba toleranco dimenzij vsakega nadzorovati v obsegu debeline človeškega lasu. Če bi bil le malo odmaknjen, bi bile podporne sile na gorivnih palicah neenakomerne; med dolgotrajnim-delovanjem je to lahko povzročilo deformacije in vibracije.
Potem je tu še vprašanje nadzora gostote gorivnih peletov. Pelete uranovega dioksida morajo biti stisnjene do zadostne gostote-vendar ne *preveč*. Če je gostota prenizka, učinkovitost jedrske reakcije trpi; če je previsoko, ni dovolj prostora za raztezanje pod obsevanjem, kar lahko povzroči pokanje obloge. Ta "ravno pravšnji" razpon je izredno ozek in zahteva zelo zrele proizvodne procese za zagotovitev stabilne proizvodnje.
**Največja proizvodna linija za gorivne sklope vodnih reaktorjev v naši državi: kjer teče strast dobe**
Z vidika napredne proizvodnje je izdelava jedrskega goriva v bistvu vrhunska-integracija več disciplin. Prašna metalurgija, precizna strojna obdelava, specializirano varjenje, ne-neporušno testiranje-vsaka posamezna stopnja predstavlja vrhunec tehnološke odličnosti.
**Kam gre izrabljeno gorivo?**
Jedrsko gorivo običajno ostane v reaktorju tri do pet ciklov, pri čemer vsak cikel traja približno osemnajst mesecev. V tem obdobju se uran-235 postopoma porablja, hkrati pa nastajajo novi nuklidi, kot je plutonij-239. Ko je energetski potencial v veliki meri izčrpan, postane to gorivo tako imenovano "izrabljeno gorivo".
Izrabljeno gorivo ni odpadek. Še vedno vsebuje nezgoreli uran-235 in na novo proizvedeni plutonij-239 – oba sta dragocena jedrska vira. Na mednarodni ravni se nekatere države ukvarjajo s predelavo, da bi pridobile in ponovno uporabile te materiale. Naša država zasleduje tudi pristop "zaprtega cikla": pridobivanje uporabnih komponent iz izrabljenega goriva za izdelavo novih gorivnih elementov.
**Domače proizvedeni transportni sodi za izrabljeno gorivo, ki bodo razbili tuji monopol: prototip je prestal sprejemno testiranje in je pripravljen za množično proizvodnjo**
**Vprašanje, vredno razmisleka**
Ko to pišem, se mi porodi misel: svetovno povpraševanje po novem jedrskem gorivu znaša več deset tisoč ton letno; vendar, ko gre za ključne komponente,-kot so visoko{1}}natančne cevi iz cirkonijeve zlitine in visoko{2}}zmogljive distančne mreže-ima le peščica držav zmogljivost za njihovo proizvodnjo.
V zadnjih nekaj letih so naše domače zmogljivosti hitro napredovale; iz tega, da smo popolnoma odvisni od uvoza, smo prešli na to, da lahko večino teh komponent proizvedemo sami. Kljub temu se moramo za nekatere posebne stopnje cirkonijevih zlitin-in nekatere vrste opreme za pregled-še vedno nabavljati iz tujine.
Vedno sem verjel, da je na področju izdelave jedrskega goriva končni dejavnik uspeha temeljni temelj države v osnovnih industrijah. Brez vrhunskih tehnik prašne metalurgije kakovosti gorivnih peletov ni mogoče dvigniti; brez visoko{1}}zmožnosti natančne obdelave pozicionirne mreže ne morejo izpolnjevati zahtevanih standardov; in brez strogega sistema vodenja kakovosti komponent ni mogoče odobriti niti za vgradnjo v jedrski reaktor.
Navsezadnje osrednja konkurenčnost napredne proizvodnje ni le v zmožnosti proizvodnje določene komponente, temveč v zmožnosti popolne integracije celotne industrijske verige in zagotavljanja njenega stabilnega in zanesljivega delovanja.
