Când oamenii se gândesc la centralele nucleare, primele lor gânduri se îndreaptă adesea către structuri masive, cum ar fi vasele de izolare, recipientele sub presiune ale reactoarelor și generatoarele de abur. Cu toate acestea, componentele cu adevărat critice sunt de fapt acele „tijețe” modeste situate adânc în miezul reactorului.
Aceste articole sunt cunoscute sub numele de bare de combustibil nuclear. Fiecare tijă măsoară doar aproximativ trei până la patru metri lungime-aproximativ grosimea unui deget uman. Cu toate acestea, una dintre aceste tije discrete generează suficientă energie pentru a alimenta o gospodărie medie timp de zeci de ani.
Centrala nucleară de la Rostov din Rusia începe testarea ansamblurilor avansate de combustibil
Combustibilul nuclear nu poate fi folosit direct din pământ
Mulți oameni presupun că combustibilul nuclear este la fel ca cărbunele-ceva care poate fi săpat din pământ și ars imediat. Acesta nu este absolut cazul.
Minereul natural de uraniu conține în principal doi izotopi: uraniu-238 și uraniu-235. Izotopul capabil să sufere fisiunea nucleară este uraniul-235; cu toate acestea, reprezintă mai puțin de 1% din uraniul natural. Restul constă în întregime din uraniu-238, care nu poate fi folosit direct ca combustibil.
Este ca și cum ai vrea să mănânci semințe de floarea soarelui: s-ar putea să ai o pungă întreagă de semințe, dar doar câteva conțin sâmburi comestibile, în timp ce restul este doar coajă.
În consecință, odată ce minereul de uraniu este extras din mină, acesta trebuie să treacă printr-o serie complexă de procese: zdrobire, măcinare, levigare, extracție, precipitare, îmbogățire și multe altele-nici unul dintre acestea nu este sarcini simple. Etapa de îmbogățire, în special, necesită utilizarea centrifugelor cu viteză mare-pentru a separa uraniul-235 de uraniu-238-două substanțe care sunt fizic aproape identice. Aceasta este o tehnologie sofisticată pe care doar o mână de națiuni din întreaga lume au stăpânit-o pe deplin.
Industria uraniului din China obține un început puternic pentru inițiative-cheie
Combustibilul pentru reactoare cu apă sub presiune seamănă cu „creioanele energetice”
În prezent, marea majoritate a centralelor nucleare din întreaga lume utilizează reactoare cu apă presurizată (PWR). Combustibilul nuclear primar utilizat în aceste reactoare este dioxidul de uraniu.
Dioxidul de uraniu este un material ceramic. Este presat în pelete mici cilindrice-fiecare de dimensiunea unei pilule medicinale, cu un diametru de aproximativ un centimetru și o înălțime care depășește puțin un centimetru. Acești cilindri mici sunt cunoscuți sub numele de „pelete” de combustibil nuclear.
O metodă și un proces de preparare a dioxidului de uraniu
Aceste peleți sunt apoi încărcate într-un tub de metal subțire, alungit. Acest tub nu este fabricat din metal obișnuit, ci mai degrabă dintr-un aliaj de zirconiu. Aliajul de zirconiu posedă o proprietate deosebit de remarcabilă: absoarbe foarte puțini neutroni. Este esențial ca neutronii să treacă prin materialul tubului cu o absorbție minimă, astfel încât să poată lovi atomii de uraniu-235, susținând astfel reacția de fisiune nucleară. Dacă s-ar folosi în schimb un alt material-unul cu o mare capacitate de absorbție a neutronilor, reactorul nu ar putea funcționa.
Pereții acestor tuburi din aliaj de zirconiu sunt cu doar câteva zecimi de milimetru grosime-mai subțiri, de fapt, decât un card bancar standard. Cu toate acestea, ele trebuie să reziste la condițiile extreme din reactor: temperaturi care depășesc 300 de grade , presiuni care depășesc 100 de atmosfere și bombardamentul necruțător,-de lungă durată cu neutroni. Procesul de fabricație necesită o precizie atât de extraordinară încât, în China, numărul de întreprinderi capabile să-l execute poate fi numărat pe de o parte.
O singură tijă de combustibil este alcătuită din sute de pelete de combustibil stivuite una peste alta.
Procesul de încărcare seamănă cu înfiletarea fructelor confiate pe o frigărui.
Mai întâi, peletele de dioxid de uraniu sunt introduse una câte una în tuburile din aliaj de zirconiu; un singur tub poate găzdui aproximativ 300 de pelete. Peleții nu pot fi plasați în contact direct unul cu celălalt; trebuie lăsat un spațiu mic între ele, deoarece granulele se vor extinde în timpul reacției nucleare. Capetele tubului sunt apoi sigilate ermetic cu dopuri prin sudare, iar interiorul este umplut cu heliu gazos. Heliul posedă o conductivitate termică excelentă, facilitând transferul căldurii generate de peleți din interiorul tubului în mediul exterior.
În acest fel, o singură tijă de combustibil este finalizată.
Cu toate acestea, un reactor nuclear necesită nu doar una sau două bare de combustibil-și nici măcar una sau două sute. Luând ca exemplu un reactor cu apă presurizată (PWR) obișnuit din clasa de milioane de-kilowați-, miezul reactorului trebuie să găzduiască între 40.000 și 50.000 de bare de combustibil.
Este imposibil din punct de vedere logistic să introduceți 40.000 până la 50.000 de tije individual; o astfel de metodă ar consuma prea mult timp-și ar împiedica fixarea structurală adecvată. În consecință, în practica ingineriei, aceste tije sunt asamblate în „ansambluri de combustibil”.
Un ansamblu de combustibil ia, de obicei, următoarea formă: un pachet de peste 200 de bare de combustibil este legat împreună-încorporând plăci de capăt superioare și inferioare, precum și grile distanțiere-pentru a forma un mănunchi ordonat, rectiliniu. Grilele distanțiere sunt componente deosebit de critice; ele ancorează ferm tijele de peste 200 în pozițiile lor precise, desemnate, menținând în același timp spații mici între tije pentru a asigura fluxul nestingher al apei de răcire.
Un singur miez de reactor găzduiește de obicei mai mult de 150 de astfel de ansambluri de combustibil.
Cercetare și analiza de simulare a uzurii prin fretting în ansamblurile de combustibil
Precizie de fabricație la egalitate cu standardele aerospațiale
Mulți oameni presupun că fabricarea combustibilului nuclear nu implică altceva decât simpla prelucrare și asamblare; în realitate însă, cerințele de precizie sunt uluitor de mari.
Luați în considerare grilele distanțiere, de exemplu: acestea prezintă mii de arcuri și proeminențe, toleranța dimensională a fiecăruia dintre acestea trebuie controlată până la dimensiunea grosimii unui fir de păr uman. Dacă ar fi fost ușor decalat, forțele de sprijin pe tijele de combustibil ar fi fost inegale; pe parcursul funcționării pe termen lung-, aceasta ar fi putut duce la deformare și vibrație.
Apoi este problema controlului densității peletelor de combustibil. Granulele de dioxid de uraniu trebuie presate la o densitate suficientă-dar nu *prea* densă. Dacă densitatea este prea mică, eficiența reacției nucleare are de suferit; dacă este prea mare, nu există spațiu suficient pentru expansiune sub iradiere, ceea ce poate provoca crăparea placajului. Această gamă „doar potrivit” este extrem de restrânsă, necesitând procese de producție foarte mature pentru a asigura o producție stabilă.
**Cea mai mare linie de producție a națiunii noastre pentru ansambluri de combustibil pentru reactoare cu apă sub presiune: unde curge pasiunea epocii**
Din perspectiva producției avansate, fabricarea combustibilului nuclear este, în esență, o integrare de vârf-a mai multor discipline. Metalurgia pulberilor, prelucrarea de precizie, sudarea specializată, testarea ne-distructivă-fiecare etapă individuală reprezintă vârful excelenței tehnologice.
**Unde se duce combustibilul uzat?**
Combustibilul nuclear rămâne de obicei într-un reactor timp de trei până la cinci cicluri, fiecare ciclu durând aproximativ optsprezece luni. În această perioadă, uraniul-235 este consumat treptat, în timp ce noi nuclizi, cum ar fi plutoniul-239, sunt generați simultan. Odată ce potențialul energetic a fost în mare măsură epuizat, acest combustibil devine ceea ce este cunoscut sub numele de „combustibil uzat”.
Combustibilul uzat nu este deșeu. Conține încă uraniu-235 nearse, precum și plutoniu-239 nou generat, ambele fiind resurse nucleare valoroase. Pe plan internațional, unele țări se angajează în reprocesare pentru a recupera și reutiliza aceste materiale. Țara noastră urmărește, de asemenea, o abordare „în ciclu închis”: extragerea componentelor utile din combustibilul uzat pentru a fabrica noi ansambluri de combustibil.
**Bustere pentru transportul combustibilului uzat produse pe plan intern, stabilite pentru a sparge monopolul străin: prototipul trece testele de acceptare și este gata pentru producție în masă**
**O întrebare care merită meditată**
În timp ce scriu asta, îmi vine un gând: cererea globală de combustibil nuclear nou se ridică la zeci de mii de tone anual; totuși, când vine vorba de componente de bază-cum ar fi tuburile din aliaj de zirconiu de-înaltă precizie și-grilele de distanțăre de înaltă performanță-, doar câteva țări au capacitatea de a le produce.
În ultimii câțiva ani, capacitățile noastre interne au avansat rapid; am trecut de la dependența totală de importuri la capacitatea de a produce noi înșine majoritatea acestor componente. Cu toate acestea, pentru anumite clase specifice de aliaje de zirconiu-precum și pentru anumite tipuri de echipamente de inspecție-încă avem nevoie să le achiziționăm din străinătate.
Întotdeauna am crezut că, în domeniul fabricării combustibilului nuclear, determinantul final al succesului este fundația de bază a unei națiuni în industriile de bază. Fără tehnici superioare de metalurgie a pulberilor, calitatea peletelor de combustibil nu poate fi ridicată; fără capacități de prelucrare de-înaltă precizie, grilele de poziționare nu pot îndeplini standardele cerute; și fără un sistem riguros de management al calității, componentele nu pot fi nici măcar autorizate pentru instalare într-un reactor nuclear.
În cele din urmă, competitivitatea de bază a producției avansate nu constă doar în capacitatea de a produce o anumită componentă, ci mai degrabă în capacitatea de a integra pe deplin întregul lanț industrial și de a asigura funcționarea sa stabilă și fiabilă.
