Kada ljudi pomisle na nuklearne elektrane, njihove prve misli se često okreću masivnim strukturama kao što su zaštitne posude, posude pod pritiskom reaktora i generatori pare. Međutim, istinski kritične komponente su zapravo one skromne "male šipke" smještene duboko unutar jezgre reaktora.
Ovi predmeti su poznati kao štapovi za nuklearno gorivo. Svaki štap ima samo oko tri do četiri metra dužine-otprilike debljine ljudskog prsta. Ipak, jedan od ovih neupadljivih štapova generiše dovoljno energije za napajanje prosečnog domaćinstva decenijama.
Ruska nuklearna elektrana Rostov počinje testiranje naprednih gorivnih sklopova
Nuklearno gorivo se ne može koristiti direktno iz zemlje
Mnogi ljudi pretpostavljaju da je nuklearno gorivo isto kao ugalj-nešto što se može iskopati iz zemlje i odmah spaliti. Ovo apsolutno nije slučaj.
Prirodna ruda uranijuma prvenstveno sadrži dva izotopa: uran-238 i uran-235. Izotop koji može podvrgnuti nuklearnoj fisiji je Uran-235; međutim, on čini manje od 1% prirodnog uranijuma. Ostatak se u potpunosti sastoji od uranijuma-238, koji se ne može koristiti direktno kao gorivo.
To je kao da želite da jedete semenke suncokreta: možda imate celu vreću semenki, ali samo nekoliko njih sadrži jestivo jezgro, dok je ostalo samo ljuska.
Shodno tome, kada se ruda uranijuma izvuče iz rudnika, ona mora proći kroz složeni niz procesa: drobljenje, mljevenje, ispiranje, ekstrakciju, taloženje, obogaćivanje i više-od kojih nijedan nije jednostavan zadatak. Faza obogaćivanja, posebno, zahtijeva korištenje -centrifuga velike brzine za odvajanje uranijuma-235 od uranijuma-238-dvije supstance koje su fizički gotovo identične. Ovo je sofisticirana tehnologija koju je samo nekoliko nacija širom svijeta u potpunosti ovladalo.
Kineska industrija uranijuma postiže snažan početak ključnih inicijativa
Gorivo za vodene reaktore pod pritiskom nalikuje na "energetske olovke"
Trenutno, velika većina nuklearnih elektrana širom svijeta koristi reaktore s vodom pod pritiskom (PWR). Primarno nuklearno gorivo koje se koristi u ovim reaktorima je uranijev dioksid.
Uran dioksid je keramički materijal. Presuje se u male cilindrične pelete-svake veličine otprilike jedne medicinske pilule, prečnika oko jednog centimetra i visine nešto veće od jednog centimetra. Ovi mali cilindri su poznati kao "peleti" za nuklearno gorivo.
Metoda i proces za pripremu uranijum dioksida
Ove pelete se zatim pune u tanku, izduženu metalnu cijev. Ova cijev nije napravljena od običnog metala, već od legure cirkonijuma. Legura cirkonijuma ima posebno izvanredno svojstvo: apsorbuje vrlo malo neutrona. Bitno je da neutroni prolaze kroz materijal cijevi uz minimalnu apsorpciju kako bi mogli udariti u atome uranijuma-235, čime se održava reakcija nuklearne fisije. Ako bi se umjesto toga koristio drugi materijal-koji ima jak kapacitet za apsorpciju neutrona, reaktor ne bi mogao funkcionirati.
Zidovi ovih cijevi od legure cirkonijuma su zapravo samo nekoliko desetina milimetra-tanji od standardne bankovne kartice. Ipak, oni moraju izdržati ekstremne uslove unutar reaktora: temperature koje prelaze 300 stepeni, pritiske preko 100 atmosfera i nemilosrdno, dugotrajno{4}}bombardiranje neutrona. Proizvodni proces zahteva tako izuzetnu preciznost da se u Kini broj preduzeća sposobnih da ga izvrše može prebrojati na jednoj ruci.
Jedan goriv štap se sastoji od stotina gorivih peleta naslaganih jedna na drugu.
Proces punjenja liči na navlačenje kandiranog voća na ražanj.
Prvo, pelete uran-dioksida se ubacuju jedna po jedna u cijevi od legure cirkonijuma; jedna cijev može primiti oko 300 peleta. Peleti se ne mogu stavljati u direktan kontakt jedan s drugim; mora se ostaviti mali razmak između njih, jer će se kuglice proširiti tokom nuklearne reakcije. Krajevi cijevi se zatim hermetički zatvaraju krajnjim čepovima zavarivanjem, a unutrašnjost se puni plinom helijuma. Helijum ima odličnu toplotnu provodljivost, olakšavajući prenos toplote koju stvaraju pelete iz unutrašnjosti cevi u spoljašnju okolinu.
Na ovaj način se završava jedan goriv štap.
Međutim, nuklearni reaktor ne zahtijeva samo jednu ili dvije gorivne šipke-niti čak jednu ili dvije stotine. Uzimajući tipični domaći reaktor sa vodom pod pritiskom (PWR) klase milion-kilovata- kao primjer, jezgro reaktora mora sadržavati između 40.000 i 50.000 gorivih šipki.
Logistički je nemoguće ubaciti 40.000 do 50.000 šipki pojedinačno; takva metoda bi bila suviše dugotrajna-i onemogućila bi odgovarajuću strukturnu fiksaciju. Shodno tome, u inženjerskoj praksi, ove šipke se sklapaju u "sklopove za gorivo".
Sklop za gorivo obično ima sljedeći oblik: snop od preko 200 gorivih šipki je povezan zajedno-uključujući gornje i donje krajnje ploče, kao i odstojne rešetke- kako bi se formirao uredan, pravolinijski snop. Odstojne rešetke su posebno kritične komponente; oni čvrsto pričvršćuju 200-plus štapove na njihove precizne, određene pozicije, dok održavaju male razmake između šipki kako bi osigurali nesmetan protok rashladne vode.
Jedno jezgro reaktora obično prima više od 150 takvih gorivnih sklopova.
Istraživanje i simulaciona analiza trošenja u gorivim sklopovima
Preciznost proizvodnje u rangu sa standardima za vazduhoplovstvo
Mnogi ljudi pretpostavljaju da proizvodnja nuklearnog goriva ne uključuje ništa više od jednostavne obrade i sklapanja; u stvarnosti, međutim, zahtjevi za preciznošću su zapanjujuće visoki.
Razmotrite, na primjer, odstojne rešetke: one sadrže hiljade opruga i izbočina, od kojih se tolerancija dimenzija svake mora kontrolisati do veličine debljine ljudske kose. Da je samo malo pomaknut, sile potpore na gorivim šipkama bile bi neravnomjerne; tokom-dugotrajnog rada, to je moglo dovesti do deformacija i vibracija.
Zatim postoji pitanje kontrole gustine peleta goriva. Pelete uranijum dioksida moraju biti presovane do dovoljne gustine-ali ne *previše* gustoće. Ako je gustina preniska, efikasnost nuklearne reakcije pati; ako je previsok, nema dovoljno prostora za širenje pod zračenjem, što može uzrokovati pucanje obloge. Ovaj "baš pravi" asortiman je izuzetno uzak i zahtijeva visoko zrele proizvodne procese kako bi se osigurala stabilna proizvodnja.
**Najveća proizvodna linija u našoj zemlji za gorive sklopove reaktora sa vodom pod pritiskom: Gdje teče strast ere**
Iz perspektive napredne proizvodnje, proizvodnja nuklearnog goriva je, u suštini, vrhunska{0}}integracija više disciplina. Metalurgija praha, precizna obrada, specijalizirano zavarivanje, bez{2}}destruktivna ispitivanja-svaka pojedinačna faza predstavlja vrhunac tehnološke izvrsnosti.
**Gdje ide istrošeno gorivo?**
Nuklearno gorivo obično ostaje u reaktoru tri do pet ciklusa, pri čemu svaki ciklus traje otprilike osamnaest mjeseci. Tokom ovog perioda, uranijum-235 se postepeno troši, dok se istovremeno stvaraju novi nuklidi – kao što je plutonijum-239. Kada se energetski potencijal uveliko iscrpi, ovo gorivo postaje ono što je poznato kao "istrošeno gorivo".
Istrošeno gorivo nije otpad. Još uvijek sadrži neizgorjeli uranijum-235, kao i novogenerirani plutonijum-239 – oba su vrijedni nuklearni resursi. Na međunarodnom nivou, neke nacije se bave ponovnom obradom kako bi se ovi materijali oporavili i ponovo iskoristili. Naša zemlja također slijedi pristup "zatvorenog ciklusa": izdvajanje korisnih komponenti iz istrošenog goriva za proizvodnju novih gorivnih sklopova.
**Kasne za transport istrošenog goriva domaće proizvodnje spremne da razbiju strani monopol: prototip prolazi testiranje i spreman je za masovnu proizvodnju**
**Pitanje vredno razmišljanja**
Dok ovo pišem, pada mi na pamet: globalna potražnja za novim nuklearnim gorivom iznosi desetine hiljada tona godišnje; ipak, kada je riječ o osnovnim komponentama-kao što su visoko-cijevi od legure cirkonijuma visoke preciznosti i-odstojne rešetke visokih performansi-samo nekoliko nacija ima sposobnost da ih proizvodi.
Tokom proteklih nekoliko godina, naše domaće mogućnosti su brzo napredovale; prešli smo sa potpunog oslanjanja na uvoz na mogućnost da sami proizvodimo većinu ovih komponenti. Ipak, za određene specifične vrste legura cirkonijuma-kao i određene vrste opreme za inspekciju-i dalje imamo potrebu da ih nabavljamo iz inostranstva.
Oduvijek sam vjerovao da je, u području proizvodnje nuklearnog goriva, konačna odrednica uspjeha temeljna osnova nacije u osnovnim industrijama. Bez vrhunskih tehnika metalurgije praha, kvalitet peleta za gorivo ne može biti povišen; bez mogućnosti visoke-precizne obrade, rešetke za pozicioniranje ne mogu zadovoljiti tražene standarde; a bez rigoroznog sistema upravljanja kvalitetom, komponente se ne mogu čak ni odobriti za ugradnju u nuklearni reaktor.
Konačno, suštinska konkurentnost napredne proizvodnje ne leži samo u sposobnosti proizvodnje određene komponente, već pre u sposobnosti da se u potpunosti integriše čitav industrijski lanac i osigura njegov stabilan i pouzdan rad.
