Kai žmonės galvoja apie atomines elektrines, jų pirmosios mintys dažnai sukasi apie masyvias konstrukcijas, tokias kaip izoliaciniai indai, reaktorių slėginiai indai ir garo generatoriai. Tačiau tikrai svarbūs komponentai iš tikrųjų yra tie nepretenzingi „maži strypeliai“, esantys giliai reaktoriaus šerdyje.
Šie elementai yra žinomi kaip branduolinio kuro strypai. Kiekvienos lazdos ilgis yra tik apie tris ar keturis metrus,{1}}maždaug žmogaus piršto storio. Tačiau vienas iš šių nepastebimų strypų generuoja pakankamai energijos, kad galėtų maitinti vidutinį namų ūkį dešimtmečius.
Rusijos Rostovo atominėje elektrinėje pradėti pažangių kuro agregatų bandymai
Branduolinio kuro negalima naudoti tiesiai iš žemės
Daugelis žmonių mano, kad branduolinis kuras yra kaip anglis,{0}}kurią galima iškasti iš žemės ir nedelsiant sudeginti. Tai visiškai ne taip.
Natūralioje urano rūdoje daugiausia yra du izotopai: uranas-238 ir uranas-235. Izotopas, galintis skilti branduolyje, yra uranas-235; tačiau jis sudaro mažiau nei 1 % natūralaus urano. Likusią dalį sudaro tik uranas-238, kuris negali būti tiesiogiai naudojamas kaip kuras.
Tai panašu į norą valgyti saulėgrąžų sėklas: galite turėti visą maišą sėklų, bet tik keliuose yra valgomų branduolių, o likusi dalis yra tik lukštas.
Vadinasi, kai urano rūda išgaunama iš kasyklos, joje turi būti atliekami sudėtingi procesai: smulkinimas, malimas, išplovimas, ekstrahavimas, nusodinimas, sodrinimas ir dar daugiau-nė viena iš jų nėra paprasta užduotis. Sodrinimo stadijoje visų pirma reikia naudoti didelio greičio centrifugas, kad būtų galima atskirti uraną-235 nuo urano-238-dvi fiziškai beveik identiškos medžiagos. Tai sudėtinga technologija, kurią visiškai įvaldė tik keletas pasaulio šalių.
Kinijos urano pramonė sėkmingai pradėjo įgyvendinti pagrindines iniciatyvas
Kuras suslėgto vandens reaktoriams primena "Energijos pieštukus"
Šiuo metu didžioji dauguma atominių elektrinių visame pasaulyje naudoja suslėgto vandens reaktorius (PWR). Pagrindinis šiuose reaktoriuose naudojamas branduolinis kuras yra urano dioksidas.
Urano dioksidas yra keraminė medžiaga. Jis suspaudžiamas į mažas cilindrines granules, -kiekviena maždaug vaistinės piliulės dydžio, maždaug vieno centimetro skersmens ir šiek tiek didesnio nei vieno centimetro aukščio. Šie maži cilindrai yra žinomi kaip branduolinio kuro „granulės“.
Urano dioksido gavimo metodas ir procesas
Tada šios granulės sukraunamos į ploną, pailgą metalinį vamzdelį. Šis vamzdis pagamintas ne iš paprasto metalo, o iš cirkonio lydinio. Cirkonio lydinys pasižymi ypatinga savybe: jis sugeria labai mažai neutronų. Labai svarbu, kad neutronai prasiskverbtų pro vamzdžio medžiagą su minimalia absorbcija, kad galėtų atsitrenkti į urano{5}}235 atomus ir taip palaikyti branduolio dalijimosi reakciją. Jei vietoj to būtų naudojama kita medžiaga,{6}}kuri turi didelę neutronų sugerties galią, reaktorius negalėtų veikti.
Šių cirkonio lydinio vamzdžių sienelės yra vos kelių dešimtųjų milimetro storio-plonesnės nei standartinės banko kortelės. Tačiau jie turi atlaikyti ekstremalias reaktoriaus sąlygas: aukštesnę nei 300 laipsnių temperatūrą, slėgį, viršijantį 100 atmosferų, ir negailestingą, ilgalaikį neutronų bombardavimą. Gamybos procesas reikalauja tokio nepaprasto tikslumo, kad Kinijoje įmonių, galinčių jį atlikti, skaičių galima suskaičiuoti ant vienos rankos pirštų.
Vieną kuro strypą sudaro šimtai kuro granulių, sukrautų viena ant kitos.
Pakrovimo procesas yra panašus į cukruotų vaisių sriegimą ant iešmo.
Pirmiausia į cirkonio lydinio vamzdelius po vieną įterpiamos urano dioksido granulės; viename vamzdyje gali tilpti maždaug 300 granulių. Granulės negali tiesiogiai liestis viena su kita; tarp jų turi būti paliktas mažas tarpelis, nes branduolinės reakcijos metu granulės išsiplės. Tada vamzdžio galai suvirinant hermetiškai užsandarinami galiniais kamščiais, o vidus užpildomas helio dujomis. Helis pasižymi puikiu šilumos laidumu, palengvindamas granulių generuojamos šilumos perdavimą iš vamzdžio vidaus į išorinę aplinką.
Tokiu būdu užpildomas vienas kuro strypas.
Tačiau branduoliniam reaktoriui reikia ne tik vieno ar dviejų kuro strypų{0}}ir net vieno ar dviejų šimtų. Pavyzdžiui, tipiškas buitinis milijono{2}}kilovatų-klasės suslėgto vandens reaktorius (PWR), reaktoriaus aktyvioje dalyje turi būti nuo 40 000 iki 50 000 kuro strypų.
Logistiškai neįmanoma įkišti nuo 40 000 iki 50 000 meškerių atskirai; toks metodas užtruktų per daug-ir trukdytų tinkamai pritvirtinti struktūrą. Vadinasi, inžinerinėje praktikoje šie strypai surenkami į „kuro mazgus“.
Kuro sąranka paprastai būna tokia: daugiau nei 200 kuro strypų ryšulėlis sujungiamas -su viršutinėmis ir apatinėmis galinėmis plokštėmis bei tarpinėmis tinkleliais-, kad būtų sudarytas tvarkingas, tiesus pluoštas. Tarpinės grotelės yra ypač svarbūs komponentai; jie tvirtai pritvirtina daugiau nei 200 strypų tiksliose, nustatytose vietose, išlaikant nedidelius tarpus tarp strypų, kad būtų užtikrintas netrukdomas aušinimo vandens srautas.
Vienoje reaktoriaus aktyvioje teritorijoje paprastai telpa daugiau nei 150 tokių kuro rinklių.
Degalų sąrankų susidėvėjimo tyrimas ir modeliavimo analizė
Gamybos tikslumas, atitinkantis aviacijos ir kosmoso standartus
Daugelis žmonių mano, kad branduolinio kuro gamyba apima tik paprastą apdirbimą ir surinkimą; Tačiau iš tikrųjų tikslumo reikalavimai yra stulbinančiai aukšti.
Apsvarstykite, pavyzdžiui, tarpiklių tinklelius: juose yra tūkstančiai spyruoklių ir iškyšų, kurių kiekvieno matmenų tolerancija turi būti kontroliuojama žmogaus plauko storio dydžiu. Jei jis būtų buvęs šiek tiek nukrypęs, degalų strypų atramos jėgos būtų buvusios nevienodos; ilgą laiką-veikiant, tai galėjo sukelti deformaciją ir vibraciją.
Tada reikia kontroliuoti kuro granulių tankį. Urano dioksido granulės turi būti suspaustos iki pakankamo tankio -bet ne *per* tankios. Jei tankis per mažas, nukenčia branduolinės reakcijos efektyvumas; jei jis yra per aukštas, apšvitinimo metu nėra pakankamai vietos plėtimuisi, todėl danga gali įtrūkti. Šis „tik tinkamas“ diapazonas yra itin siauras, todėl norint užtikrinti stabilią gamybą, reikalingi labai brandūs gamybos procesai.
**Didžiausia mūsų tautos slėginių vandens reaktorių kuro agregatų gamybos linija: kur teka eros aistra**
Iš pažangios gamybos perspektyvos branduolinio kuro gamyba iš esmės yra aukščiausios klasės{0}}kelių disciplinų integracija. Miltelinė metalurgija, tikslusis apdirbimas, specializuotas suvirinimas, neardomasis bandymas-kiekvienas atskiras etapas yra technologinio tobulumo viršūnė.
**Kur dingsta panaudotas kuras?**
Branduolinis kuras paprastai lieka reaktoriuje nuo trijų iki penkių ciklų, kurių kiekvienas trunka maždaug aštuoniolika mėnesių. Per šį laikotarpį Uranas-235 palaipsniui sunaudojamas, o tuo pačiu metu generuojami nauji nuklidai, tokie kaip plutonis-239. Išnaudojus energijos potencialą, šis kuras tampa vadinamuoju „panaudotu kuru“.
Panaudotas kuras nėra atliekos. Jame vis dar yra nesudegusio urano{5}}235 ir naujai sukurto plutonio-239, kurie abu yra vertingi branduoliniai ištekliai. Tarptautiniu mastu kai kurios šalys užsiima perdirbimu, kad išgautų ir pakartotinai panaudotų šias medžiagas. Mūsų šalis taip pat laikosi „uždaro ciklo“ požiūrio: iš panaudoto kuro išgauna naudingus komponentus, kad būtų pagamintos naujos kuro rinklės.
**Vietinės gamybos panaudoto kuro transportavimo statinės, skirtos nutraukti užsienio monopolį: prototipas išlaiko priimtinumo testus ir yra paruoštas masinei gamybai**
**Klausimas, kurį verta apmąstyti**
Kai rašau tai, man kyla mintis: pasaulinė naujo branduolinio kuro paklausa kasmet siekia dešimtis tūkstančių tonų; tačiau kalbant apie pagrindinius komponentus-tokius kaip didelio-tikslūs cirkonio lydinio vamzdžiai ir didelio-našumo tarpiklių tinkleliai-, tik kelios šalys gali juos gaminti.
Per pastaruosius kelerius metus mūsų vidaus pajėgumai sparčiai tobulėjo; mes perėjome nuo visiško priklausomybės nuo importo, kad didžiąją dalį šių komponentų galėtume gaminti patys. Nepaisant to, tam tikrų konkrečių cirkonio lydinių-klasių ir tam tikrų tipų tikrinimo įrangos-vis tiek turime įsigyti iš užsienio.
Visada tikėjau, kad branduolinio kuro gamybos srityje pagrindinis sėkmės veiksnys yra tautos pamatas pagrindinėse pramonės šakose. Be geresnių miltelių metalurgijos metodų, kuro granulių kokybė negali būti padidinta; be didelio-tikslaus apdirbimo galimybių padėties nustatymo tinkleliai negali atitikti reikalaujamų standartų; o be griežtos kokybės valdymo sistemos komponentų net negalima leisti montuoti į branduolinį reaktorių.
Galiausiai pagrindinis pažangios gamybos konkurencingumas slypi ne tik gebėjime gaminti tam tikrą komponentą, bet ir gebėjimu visiškai integruoti visą pramonės grandinę ir užtikrinti stabilų bei patikimą jos veikimą.
