Når folk tenker på atomkraftverk, vender deres første tanker ofte til massive strukturer som inneslutningskar, reaktortrykkbeholdere og dampgeneratorer. Imidlertid er de virkelig kritiske komponentene faktisk de upretensiøse "små stengene" som ligger dypt inne i reaktorkjernen.
Disse gjenstandene er kjent som atombrenselstaver. Hver stang måler bare tre til fire meter i lengde-omtrent tykkelsen til en menneskefinger. Likevel genererer en enkelt av disse usynlige stengene nok energi til å drive en gjennomsnittlig husholdning i flere tiår.
Russlands atomkraftverk i Rostov begynner å teste avanserte drivstoffenheter
Atombrensel kan ikke brukes rett ut av bakken
Mange mennesker antar at kjernebrensel er akkurat som kull-noe som kan graves ut av jorden og brennes umiddelbart. Dette er absolutt ikke tilfelle.
Naturlig uranmalm inneholder primært to isotoper: Uranium-238 og Uranium-235. Isotopen som er i stand til å gjennomgå kjernefysisk fisjon er Uranium-235; den utgjør imidlertid mindre enn 1 % av naturlig uran. Resten består utelukkende av uran-238, som ikke kan brukes direkte som drivstoff.
Det er omtrent som å ville spise solsikkefrø: du kan ha en hel pose med frø, men bare noen få inneholder spiselige kjerner, mens resten er bare skall.
Følgelig, når uranmalm er utvunnet fra gruven, må den gjennomgå en kompleks rekke prosesser: knusing, maling, utluting, utvinning, utfelling, anrikning og mer-hvorav ingen er enkle oppgaver. Spesielt anrikningsstadiet krever bruk av høyhastighetsentrifuger for å skille Uranium-235 fra Uranium-238-to stoffer som fysisk er nesten identiske. Dette er en sofistikert teknologi som bare en håndfull nasjoner over hele verden har mestret fullt ut.
Kinas uranindustri oppnår en sterk start på nøkkelinitiativer
Drivstoff for trykkvannsreaktorer ligner "Energy Pencils"
For tiden bruker de aller fleste atomkraftverk over hele verden trykkvannreaktorer (PWR). Det primære kjernebrenselet som brukes i disse reaktorene er urandioksid.
Urandioksid er et keramisk materiale. Den presses til små sylindriske pellets-som hver er omtrent på størrelse med en medisinsk pille, med en diameter på omtrent én centimeter og en høyde på litt over én centimeter. Disse små sylindrene er kjent som kjernebrensel "pellets".
En metode og prosess for fremstilling av urandioksid
Disse pellets blir deretter lastet inn i et slankt, langstrakt metallrør. Dette røret er ikke laget av vanlig metall, men av en zirkoniumlegering. Zirkoniumlegering har en spesielt bemerkelsesverdig egenskap: den absorberer svært få nøytroner. Det er viktig at nøytroner passerer gjennom rørmaterialet med minimal absorpsjon, slik at de kan treffe uran-235-atomene, og dermed opprettholde kjernefysisjonsreaksjonen. Hvis et annet materiale-med en sterk kapasitet for nøytronabsorpsjon ble brukt i stedet, ville reaktoren ikke kunne fungere.
Veggene til disse zirkoniumlegeringsrørene er faktisk bare noen få tideler av en millimeter tykke-tynnere enn et standard bankkort. Likevel må de tåle de ekstreme forholdene i reaktoren: temperaturer som overstiger 300 grader, trykk over 100 atmosfærer, og det nådeløse, langsiktige bombardementet av nøytroner. Produksjonsprosessen krever en så ekstraordinær presisjon at i Kina kan antallet bedrifter som er i stand til å utføre den telles på én hånd.
En enkelt drivstoffstang består av hundrevis av drivstoffpellets stablet oppå hverandre.
Lasteprosessen ligner på å tre kandisert frukt på et spyd.
Først settes urandioksidpellets inn en etter en i rørene av zirkoniumlegering; et enkelt rør kan romme ca. 300 pellets. Pellets kan ikke plasseres i direkte kontakt med hverandre; Det må være et lite gap mellom dem, da pellets vil utvide seg under kjernereaksjonen. Endene av røret blir så hermetisk forseglet med endeplugger via sveising, og det indre fylles med heliumgass. Helium har utmerket varmeledningsevne, noe som letter overføringen av varme generert av pellets fra det indre av røret til det ytre miljøet.
På denne måten fullføres en enkelt drivstoffstang.
En atomreaktor krever imidlertid ikke bare én eller to brenselsstaver-og heller ikke én eller to hundre. Med en typisk innenlandsk million-kilowatt-klasse trykkvannsreaktor (PWR) som eksempel, må reaktorkjernen inneholde mellom 40 000 og 50 000 brenselstaver.
Det er logistisk umulig å sette inn 40 000 til 50 000 stenger individuelt; en slik metode ville være altfor tidkrevende-og ville utelukke riktig strukturell fiksering. Følgelig, i ingeniørpraksis, er disse stengene satt sammen til "drivstoffsamlinger".
En drivstoffsamling har vanligvis følgende form: en bunt med over 200 drivstoffstaver bindes sammen-med øvre og nedre endeplater samt avstandsgitter-for å danne en pen, rettlinjet bunt. Avstandsgitteret er spesielt kritiske komponenter; de forankrer 200-pluss stengene i deres nøyaktige, utpekte posisjoner samtidig som de opprettholder små avstander mellom stengene for å sikre uhindret strøm av kjølevann.
En enkelt reaktorkjerne rommer typisk mer enn 150 slike brenselelementer.
Forskning og simuleringsanalyse av frettingslitasje i drivstoffenheter
Produksjonspresisjon på nivå med luftfartsstandarder
Mange antar at fabrikasjon av kjernebrensel ikke innebærer noe mer enn enkel maskinering og montering; i realiteten er imidlertid presisjonskravene svimlende høye.
Tenk på avstandsgitteret, for eksempel: de har tusenvis av fjærer og fremspring, den dimensjonale toleransen til hver av dem må kontrolleres innenfor størrelsen på tykkelsen til et menneskehår. Hadde det bare vært litt av, ville støttekreftene på drivstoffstavene vært ujevne; i løpet av lang-drift kunne dette ha ført til deformasjon og vibrasjon.
Så er det spørsmål om å kontrollere tettheten til drivstoffpelletene. Urandioksidpellets må presses til en tilstrekkelig tetthet-men ikke *for* tett. Hvis tettheten er for lav, lider kjernefysisk reaksjonseffektivitet; hvis den er for høy, er det ikke tilstrekkelig rom for ekspansjon under bestråling, noe som kan føre til at kledningen sprekker. Dette "akkurat passe" området er ekstremt smalt, og krever svært modne produksjonsprosesser for å sikre stabil produksjon.
**Vår nasjons største produksjonslinje for trykkvannsreaktordrivstoffsamlinger: Hvor tidens lidenskap flyter**
Fra perspektivet til avansert produksjon er fremstilling av kjernebrensel i hovedsak en høy-integrasjon av flere disipliner. Pulvermetallurgi, presisjonsmaskinering, spesialisert sveising, ikke-destruktiv testing-hvert enkelt trinn representerer toppen av teknologisk fortreffelighet.
**Hvor blir brukt drivstoff av?**
Kjernebrensel forblir vanligvis i en reaktor i tre til fem sykluser, med hver syklus som varer i omtrent atten måneder. I løpet av denne perioden blir uran-235 gradvis konsumert, mens nye nuklider – som Plutonium-239 – genereres samtidig. Når energipotensialet i stor grad er brukt opp, blir dette drivstoffet det som kalles "brukt drivstoff".
Brukt brensel er ikke avfall. Den inneholder fortsatt uforbrent uran-235 samt nygenerert Plutonium-239 – som begge er verdifulle kjernefysiske ressurser. Internasjonalt engasjerer noen nasjoner seg i reprosessering for å gjenvinne og gjenbruke disse materialene. Landet vårt forfølger også en "lukket syklus"-tilnærming: å trekke ut de nyttige komponentene fra brukt brensel for å fremstille nye drivstoffelementer.
**Innenlandsk produserte transportfat for brukt brensel satt til å bryte utenlandsk monopol: Prototypen består aksepteringstesten og er klar for masseproduksjon**
**Et spørsmål verdt å tenke på**
Mens jeg skriver dette, dukker det opp en tanke: den globale etterspørselen etter nytt kjernebrensel utgjør titusenvis av tonn årlig; Men når det kommer til kjernekomponenter-som høy-presisjonsrør av zirkoniumlegering og høy-avstandsgitter-har bare en håndfull nasjoner evnen til å produsere dem.
I løpet av de siste årene har våre innenlandske evner utviklet seg raskt; vi har gått over fra å være helt avhengig av import til å kunne produsere de fleste av disse komponentene selv. Ikke desto mindre, for visse spesifikke kvaliteter av zirkoniumlegeringer-så vel som visse typer inspeksjonsutstyr- finner vi fortsatt behov for å anskaffe dem fra utlandet.
Jeg har alltid trodd at når det gjelder fremstilling av kjernebrensel, er den ultimate suksessfaktoren en nasjons underliggende grunnlag i grunnleggende industrier. Uten overlegne pulvermetallurgiteknikker kan ikke kvaliteten på drivstoffpellets heves; uten høy-bearbeidingskapasitet, kan ikke posisjoneringsnettene oppfylle de nødvendige standardene; og uten et strengt kvalitetsstyringssystem, kan ikke komponentene engang klareres for installasjon i en atomreaktor.
Til syvende og sist ligger kjernekonkurranseevnen til avansert produksjon ikke bare i evnen til å produsere en spesifikk komponent, men heller i evnen til å fullt ut integrere hele industrikjeden og sikre dens stabile, pålitelige drift.
