Коли люди думають про атомні електростанції, їхні перші думки часто звертаються до масивних конструкцій, таких як захисні камери, корпуси реакторів під тиском і парогенератори. Однак по-справжньому критичними компонентами є ті невибагливі «маленькі стрижні», розташовані глибоко всередині активної зони реактора.
Ці елементи відомі як ядерні паливні стрижні. Довжина кожного стрижня становить лише три-чотири метри-, що приблизно дорівнює товщині людського пальця. Тим не менш, один із цих непомітних стрижнів генерує достатньо енергії, щоб живити середню домогосподарство протягом десятиліть.
Російська Ростовська атомна електростанція починає випробування перспективних паливних збірок
Ядерне паливо не можна використовувати прямо з землі
Багато людей вважають, що ядерне паливо, як і вугілля, -те, що можна викопати із землі й негайно спалити. Це абсолютно не так.
Природна уранова руда містить в основному два ізотопи: уран-238 і уран-235. Ізотоп, здатний до ядерного поділу, - це уран-235; однак на його частку припадає менше 1% природного урану. Залишок повністю складається з урану-238, який не можна використовувати безпосередньо як паливо.
Це схоже на бажання з’їсти насіння соняшнику: у вас може бути цілий мішок насіння, але лише деякі містять їстівні ядра, а решта – це лише шкаралупа.
Отже, коли уранову руду видобуто з шахти, вона має пройти складну серію процесів: дроблення, подрібнення, вилуговування, екстракція, осадження, збагачення тощо-жоден із яких не є простим завданням. Стадія збагачення, зокрема, вимагає використання високошвидкісних-центрифуг для відділення урану-235 від урану-238 — двох речовин, які фізично майже ідентичні. Це складна технологія, яку повністю освоїли лише кілька країн у всьому світі.
Уранова промисловість Китаю успішно починає ключові ініціативи
Паливо для водоводяних реакторів нагадує «енергетичні олівці»
В даний час переважна більшість атомних електростанцій у всьому світі використовують реактори з водою під тиском (PWR). Основним ядерним паливом, що використовується в цих реакторах, є діоксид урану.
Діоксид урану є керамічним матеріалом. Його пресують у маленькі циліндричні гранули-кожні розміром приблизно з лікарську таблетку, діаметром близько одного сантиметра та висотою трохи більше одного сантиметра. Ці маленькі циліндри відомі як ядерні паливні «гранули».
Спосіб і процес отримання діоксиду урану
Потім ці гранули завантажують у тонку подовжену металеву трубу. Ця трубка виготовлена не зі звичайного металу, а зі сплаву цирконію. Цирконієвий сплав має особливо чудову властивість: він поглинає дуже мало нейтронів. Дуже важливо, щоб нейтрони проходили крізь матеріал труби з мінімальним поглинанням, щоб вони могли вразити атоми Урану-235, таким чином підтримуючи реакцію ядерного поділу. Якщо натомість використати інший матеріал-з високою здатністю поглинати нейтрони, реактор не зможе функціонувати.
Стінки цих трубок зі сплаву цирконію лише на кілька десятих міліметра-тонші за стандартну банківську картку. Проте вони повинні витримувати екстремальні умови всередині реактора: температури понад 300 градусів, тиск понад 100 атмосфер і невпинне довготривале-бомбардування нейтронами. Виробничий процес вимагає такої надзвичайної точності, що в Китаї кількість підприємств, здатних його виконати, можна порахувати на руках.
Один паливний стрижень складається із сотень паливних таблеток, складених одна на одну.
Процес завантаження нагадує нанизування цукатів на шпажку.
Спочатку гранули діоксиду урану вставляють одну за одною в трубки зі сплаву цирконію; одна труба може вмістити приблизно 300 гранул. Гранули не можуть бути розміщені в прямому контакті одна з одною; Між ними необхідно залишити невеликий зазор, оскільки гранули розширяться під час ядерної реакції. Кінці труби потім герметично закриваються кінцевими пробками за допомогою зварювання, а внутрішня частина заповнюється газоподібним гелієм. Гелій має чудову теплопровідність, полегшуючи передачу тепла, що виділяється гранулами, з внутрішньої частини труби у зовнішнє середовище.
Таким чином утворюється один паливний стрижень.
Однак для ядерного реактора потрібні не один чи два паливні стрижні-і навіть одна чи дві сотні. Візьмемо як приклад типовий домашній реактор із водою під тиском (PWR) потужністю мільйон{2}}кіловат-, в активній зоні реактора має бути від 40 000 до 50 000 паливних стрижнів.
Логістично неможливо вставити від 40 000 до 50 000 стрижнів окремо; такий метод займе надто багато часу-і унеможливить належну структурну фіксацію. Отже, в інженерній практиці ці стрижні збирають у «тепловиділяючі збірки».
Паливна збірка зазвичай має таку форму: пучок із понад 200 паливних стрижнів зв’язаний разом-включаючи верхню та нижню торцеві пластини, а також розпірні решітки-, щоб утворити акуратний, прямолінійний пучок. Розпірні решітки є особливо важливими компонентами; вони міцно закріплюють 200-плюс стрижні в їх точних, призначених положеннях, зберігаючи мінімальні проміжки між стрижнями, щоб забезпечити безперешкодний потік охолоджуючої води.
Одна активна зона реактора зазвичай вміщує більше 150 таких паливних збірок.
Дослідження та симуляційний аналіз фреттингового зношування тепловиділяючих збірок
Точність виробництва на рівні з аерокосмічними стандартами
Багато людей припускають, що виробництво ядерного палива передбачає не що інше, як просту механічну обробку та складання; однак насправді вимоги до точності вражаюче високі.
Розглянемо, наприклад, розпірні решітки: вони мають тисячі пружин і виступів, допуск розмірів кожного з яких повинен контролюватися в межах величини товщини людської волосини. Якби він був лише трохи відхилений, опорні сили на паливні стрижні були б нерівномірними; під час тривалої-експлуатації це могло призвести до деформації та вібрації.
Крім того, необхідно контролювати щільність паливних гранул. Гранули діоксиду урану мають бути спресовані до достатньої щільності-але не *надто* щільності. Якщо щільність занадто низька, ефективність ядерної реакції страждає; якщо він занадто високий, недостатньо місця для розширення під дією опромінення, що може спричинити розтріскування оболонки. Цей «самий правильний» асортимент є надзвичайно вузьким і потребує високодосконалих виробничих процесів для забезпечення стабільного виробництва.
**Найбільша в нашій країні виробнича лінія для паливних збірок для реакторів з водою під тиском: де тече пристрасть епохи**
З точки зору передового виробництва, виробництво ядерного палива, по суті, є високо-інтеграцією багатьох дисциплін. Порошкова металургія, точна обробка, спеціальне зварювання, не-неруйнівний контроль-кожна окрема стадія є вершиною технологічної досконалості.
**Куди йде відпрацьоване паливо?**
Як правило, ядерне паливо залишається в реакторі протягом трьох-п’яти циклів, причому кожен цикл триває приблизно вісімнадцять місяців. Протягом цього періоду уран-235 поступово витрачається, а нові нукліди, такі як плутоній-239, одночасно генеруються. Після того, як енергетичний потенціал буде повністю вичерпано, це паливо стане так званим «відпрацьованим паливом».
Відпрацьоване паливо не є відходами. Він все ще містить незгорілий уран-235, а також нещодавно утворений плутоній-239, обидва з яких є цінними ядерними ресурсами. У міжнародному масштабі деякі країни беруть участь у переробці для відновлення та повторного використання цих матеріалів. Наша країна також дотримується підходу «замкнутого циклу»: вилучення корисних компонентів з ВЯП для виготовлення нових тепловиділяючих збірок.
**Вироблені в країні контейнери для транспортування відпрацьованого палива мають намір порушити іноземну монополію: прототип пройшов приймальні випробування та готовий до масового виробництва**
**Питання, яке варто задуматися**
Коли я це пишу, мені спадає на думку: світовий попит на нове ядерне паливо становить десятки тисяч тонн щорічно; однак, коли справа доходить до основних компонентів-таких як високо{1}}точні труби з цирконієвого сплаву та високо-розпірні решітки-лише декілька країн мають можливість їх виготовляти.
За останні кілька років наш внутрішній потенціал швидко розвинувся; ми перейшли від повної залежності від імпорту до можливості виробляти більшість цих компонентів самостійно. Тим не менш, певні конкретні марки цирконієвих сплавів-а також певні типи контрольного обладнання-нам усе ще доводиться закуповувати їх з-за кордону.
Я завжди вважав, що у сфері виробництва ядерного палива основним чинником успіху є базова основа нації в базових галузях промисловості. Без передових методів порошкової металургії якість паливних гранул неможливо підвищити; без високо{1}}можливостей високоточної обробки сітки позиціонування не можуть відповідати необхідним стандартам; і без суворої системи управління якістю компоненти не можуть бути навіть дозволені для встановлення в ядерному реакторі.
Зрештою, основна конкурентоспроможність передового виробництва полягає не просто в здатності виробляти певний компонент, а скоріше в здатності повністю інтегрувати весь промисловий ланцюг і забезпечити його стабільну та надійну роботу.
