Когато хората мислят за атомни електроцентрали, първите им мисли често се насочват към масивни конструкции като херметизиращи съдове, съдове под налягане на реактори и парогенератори. Истински критичните компоненти обаче всъщност са онези невзрачни „малки пръти“, разположени дълбоко в ядрото на реактора.
Тези елементи са известни като ядрени горивни пръти. Всяка пръчка е с дължина само около три до четири метра-приблизително колкото дебелината на човешки пръст. Въпреки това, една-единствена от тези незабележими пръчки генерира достатъчно енергия, за да захранва едно средно домакинство в продължение на десетилетия.
Руската атомна електроцентрала в Ростов започва тестване на модерни горивни възли
Ядреното гориво не може да се използва направо от земята
Много хора приемат, че ядреното гориво е точно като въглищата-нещо, което може да се изкопае от земята и да се изгори веднага. Това абсолютно не е така.
Природната уранова руда съдържа предимно два изотопа: уран-238 и уран-235. Изотопът, способен да претърпи ядрен делене, е уран-235; но той представлява по-малко от 1% от естествения уран. Остатъкът се състои изцяло от уран-238, който не може да се използва директно като гориво.
Това е много като да искате да ядете слънчогледови семки: може да имате цяла торба семена, но само няколко съдържат ядливи ядки, докато останалото е само черупка.
Следователно, след като уранова руда бъде извлечена от мината, тя трябва да премине през сложна поредица от процеси: раздробяване, смилане, излугване, извличане, утаяване, обогатяване и други-нито един от които не е лесна задача. Етапът на обогатяване, по-специално, изисква използването на високо-скоростни центрофуги за отделяне на уран-235 от уран-238 – две вещества, които са физически почти идентични. Това е сложна технология, която само шепа нации по света са усвоили напълно.
Урановата промишленост на Китай постига силен старт на ключови инициативи
Горивото за водни реактори под налягане прилича на "енергийни моливи"
В момента по-голямата част от атомните електроцентрали по света използват реактори с вода под налягане (PWR). Основното ядрено гориво, използвано в тези реактори, е уранов диоксид.
Урановият диоксид е керамичен материал. Той се пресова в малки цилиндрични пелети-всяка с размер приблизително на лекарствено хапче, с диаметър около един сантиметър и височина, малко надвишаваща един сантиметър. Тези малки цилиндри са известни като "пелети" за ядрено гориво.
Метод и процес за получаване на уранов диоксид
След това тези пелети се зареждат в тънка, удължена метална тръба. Тази тръба не е направена от обикновен метал, а по-скоро от циркониева сплав. Циркониевата сплав притежава особено забележително свойство: тя абсорбира много малко неутрони. От съществено значение е неутроните да преминават през материала на тръбата с минимално поглъщане, за да могат да ударят атомите на уран-235, като по този начин поддържат реакцията на ядрено делене. Ако вместо това се използва различен материал-със силен капацитет за поглъщане на неутрони, реакторът няма да може да функционира.
Стените на тези тръби от циркониева сплав са дебели само с няколко десети от милиметъра -всъщност по-тънки от стандартна банкова карта. Въпреки това те трябва да издържат на екстремните условия в реактора: температури над 300 градуса, налягания над 100 атмосфери и безмилостното, дългосрочно-бомбардиране с неутрони. Производственият процес изисква такава изключителна прецизност, че в рамките на Китай броят на предприятията, способни да го изпълнят, може да се преброи на пръстите на едната ръка.
Един горивен прът се състои от стотици горивни пелети, подредени една върху друга.
Процесът на зареждане прилича на нанизване на захаросани плодове на шиш.
Първо, пелети от уранов диоксид се вкарват една по една в тръбите от циркониева сплав; една тръба може да побере приблизително 300 пелети. Пелетите не могат да се поставят в пряк контакт една с друга; между тях трябва да се остави малка празнина, тъй като пелетите ще се разширят по време на ядрената реакция. След това краищата на тръбата се затварят херметически с крайни тапи чрез заваряване, а вътрешността се запълва с газ хелий. Хелият притежава отлична топлопроводимост, улеснявайки преноса на генерираната от пелетите топлина от вътрешността на тръбата към външната среда.
По този начин се завършва един горивен прът.
Един ядрен реактор обаче изисква не само един или два горивни пръта-нито дори една или двеста. Вземайки за пример типичен домашен реактор с вода под налягане (PWR) от милион-киловата-клас, активната зона на реактора трябва да съдържа между 40 000 и 50 000 горивни пръти.
Логистично е невъзможно да се поставят 40 000 до 50 000 пръчки поотделно; такъв метод би отнел-прекалено много време и би попречил на правилното структурно фиксиране. Следователно в инженерната практика тези пръти се сглобяват в "горивни касети".
Горивният модул обикновено приема следната форма: сноп от над 200 горивни пръта е свързан заедно-включващ горни и долни крайни плочи, както и дистанционни решетки-за образуване на чист, праволинеен пакет. Дистанционните решетки са особено критични компоненти; те здраво закотвят 200-те пръта в техните прецизни, обозначени позиции, като същевременно поддържат малки разстояния между прътите, за да осигурят безпрепятствения поток на охлаждащата вода.
Едно ядро на реактора обикновено побира повече от 150 такива горивни касети.
Изследвания и симулационен анализ на фреттинг износване в горивни възли
Производствена прецизност на ниво с аерокосмическите стандарти
Много хора приемат, че производството на ядрено гориво не включва нищо повече от проста машинна обработка и сглобяване; в действителност обаче изискванията за точност са изумително високи.
Помислете за дистанционните решетки, например: те разполагат с хиляди пружини и издатини, толерансът на размерите на всеки от които трябва да се контролира в рамките на големината на дебелината на човешки косъм. Ако беше само леко отклонение, опорните сили върху горивните пръти биха били неравномерни; в хода на дългосрочна-работа, това може да доведе до деформация и вибрации.
След това има въпрос за контролиране на плътността на горивните пелети. Пелетите от уранов диоксид трябва да бъдат пресовани до достатъчна плътност-но не *прекалено* плътни. Ако плътността е твърде ниска, ефективността на ядрената реакция страда; ако е твърде високо, няма достатъчно място за разширение при облъчване, което може да доведе до напукване на облицовката. Този "точно подходящ" диапазон е изключително тесен и изисква много зрели производствени процеси, за да се осигури стабилно производство.
**Най-голямата производствена линия в нашата нация за горивни възли за реактори с вода под налягане: където тече страстта на епохата**
От гледна точка на усъвършенстваното производство, производството на ядрено гориво е по същество високо{0}}интегриране на множество дисциплини. Прахова металургия, прецизна машинна обработка, специализирано заваряване, не-разрушителен тест-всеки отделен етап представлява върха на технологичното съвършенство.
**Къде отива отработеното гориво?**
Ядреното гориво обикновено остава в реактора за три до пет цикъла, като всеки цикъл продължава приблизително осемнадесет месеца. През този период уран-235 постепенно се изразходва, докато едновременно с това се генерират нови нуклиди като плутоний-239. След като енергийният потенциал е до голяма степен изчерпан, това гориво става това, което е известно като "отработено гориво".
Отработеното гориво не е отпадък. Той все още съдържа неизгорял уран-235, както и новогенериран плутоний-239, като и двата са ценни ядрени ресурси. В международен план някои нации участват в повторна обработка за възстановяване и повторно използване на тези материали. Нашата страна също следва подход на „затворен цикъл“: извличане на полезните компоненти от отработеното гориво за производство на нови горивни касети.
**Вътрешно произведени контейнери за транспортиране на отработено гориво, готови да разбият чуждестранния монопол: Прототипът преминава тестове за приемане и е готов за масово производство**
**Въпрос, който си струва да се замислите**
Докато пиша това, ми хрумва една мисъл: глобалното търсене на ново ядрено гориво възлиза на десетки хиляди тонове годишно; но когато става дума за основни компоненти-като високо-прецизни тръби от циркониева сплав и високо-ефективни дистанционни решетки-само няколко нации притежават способността да ги произвеждат.
През последните няколко години нашите вътрешни възможности напреднаха бързо; преминахме от това, че сме изцяло зависими от внос, към възможността да произвеждаме повечето от тези компоненти сами. Въпреки това, за определени специфични степени на циркониеви сплави-както и за определени видове оборудване за инспекция-все още се налага да ги доставяме от чужбина.
Винаги съм вярвал, че в сферата на производството на ядрено гориво, крайната детерминанта за успеха е основната основа на нацията в основните индустрии. Без превъзходни техники на праховата металургия качеството на горивните пелети не може да бъде повишено; без високо{1}}прецизни възможности за обработка решетките за позициониране не могат да отговорят на изискваните стандарти; и без строга система за управление на качеството, компонентите дори не могат да бъдат разрешени за инсталиране в ядрен реактор.
В крайна сметка основната конкурентоспособност на усъвършенстваното производство се крие не само в способността да се произвежда конкретен компонент, а по-скоро в способността за пълно интегриране на цялата промишлена верига и осигуряване на нейната стабилна и надеждна работа.
