Когда люди думают об атомных электростанциях, их первые мысли часто обращаются к массивным конструкциям, таким как защитные оболочки, корпуса реакторов и парогенераторы. Однако по-настоящему критическими компонентами на самом деле являются скромные «стержни», расположенные глубоко внутри активной зоны реактора.
Эти предметы известны как ядерные топливные стержни. Длина каждого стержня составляет всего три-четыре метра,-что примерно соответствует толщине человеческого пальца. Тем не менее, один из этих незаметных стержней генерирует достаточно энергии, чтобы обеспечить питанием среднестатистическое домохозяйство в течение десятилетий.
Ростовская АЭС начала испытания перспективных тепловыделяющих сборок
Ядерное топливо нельзя использовать прямо из-под земли
Многие люди полагают, что ядерное топливо похоже на уголь-, его можно выкопать из земли и немедленно сжечь. Это совершенно не так.
Природная урановая руда в основном содержит два изотопа: уран-238 и уран-235. Изотоп, способный подвергаться ядерному делению, — уран-235; однако на его долю приходится менее 1% природного урана. Остальное полностью состоит из урана-238, который нельзя использовать непосредственно в качестве топлива.
Это очень похоже на желание съесть семечки: у вас может быть целый мешок семян, но лишь в некоторых из них есть съедобные ядра, а остальное — это всего лишь скорлупа.
Следовательно, после того, как урановая руда добывается из шахты, она должна пройти сложную серию процессов: дробление, измельчение, выщелачивание, извлечение, осаждение, обогащение и многое другое-ни одна из которых не является простой задачей. Стадия обогащения, в частности, требует использования высокоскоростных-центрифуг для отделения урана-235 от урана-238 — двух веществ, которые физически практически идентичны. Это сложная технология, которую полностью освоили лишь несколько стран во всем мире.
Урановая промышленность Китая добилась уверенного старта ключевых инициатив
Топливо для водо-водяных реакторов напоминает «энергетические карандаши»
В настоящее время подавляющее большинство атомных электростанций во всем мире используют реакторы с водой под давлением (PWR). Основным ядерным топливом, используемым в этих реакторах, является диоксид урана.
Диоксид урана представляет собой керамический материал. Его прессуют в небольшие цилиндрические гранулы-каждая размером примерно с лекарственную таблетку, диаметром около одного сантиметра и высотой чуть более одного сантиметра. Эти небольшие цилиндры известны как «таблетки» ядерного топлива.
Способ и процесс получения диоксида урана
Эти гранулы затем загружаются в тонкую удлиненную металлическую трубку. Эта трубка сделана не из обычного металла, а из циркониевого сплава. Циркониевый сплав обладает особенно замечательным свойством: он поглощает очень мало нейтронов. Очень важно, чтобы нейтроны проходили через материал трубки с минимальным поглощением и могли ударять по атомам урана-235, тем самым поддерживая реакцию ядерного деления. Если бы вместо этого использовался другой материал-с высокой способностью поглощать нейтроны, реактор не смог бы функционировать.
Стенки этих трубок из циркониевого сплава всего на несколько десятых миллиметра толщиной-фактически тоньше, чем у стандартной банковской карты. Тем не менее, они должны выдерживать экстремальные условия внутри реактора: температуру, превышающую 300 градусов, давление, превышающее 100 атмосфер, и беспощадную, длительную-бомбардировку нейтронами. Производственный процесс требует такой исключительной точности, что в Китае количество предприятий, способных его выполнять, можно пересчитать по пальцам.
Один топливный стержень состоит из сотен топливных таблеток, уложенных одна на другую.
Процесс загрузки напоминает нанизывание цукатов на шпажку.
Сначала таблетки диоксида урана по одной вставляются в трубки из циркониевого сплава; одна трубка может вместить около 300 гранул. Гранулы не могут находиться в прямом контакте друг с другом; Между ними необходимо оставить крошечный зазор, так как во время ядерной реакции гранулы расширятся. Концы трубки затем герметично запечатываются торцевыми заглушками посредством сварки, а внутренняя часть заполняется газообразным гелием. Гелий обладает превосходной теплопроводностью, что облегчает передачу тепла, выделяемого гранулами, из внутренней части трубки во внешнюю среду.
Таким образом, создается один топливный стержень.
Однако для ядерного реактора требуется не один или два топливных стержня,-и даже не одна или две сотни. Если взять в качестве примера типичный отечественный реактор с водой под давлением (PWR) класса мощностью в миллион {{2}киловатт-, то в активной зоне реактора должно размещаться от 40 000 до 50 000 топливных стержней.
Логистически невозможно вставить от 40 000 до 50 000 стержней по отдельности; такой метод потребовал бы слишком-слишком много времени и помешал бы правильной фиксации конструкции. Следовательно, в инженерной практике эти стержни собираются в «тепловозные сборки».
Топливная сборка обычно имеет следующую форму: пучок из более чем 200 топливных стержней соединен вместе-с помощью верхних и нижних концевых пластин, а также дистанционирующих решеток-, образуя аккуратный прямолинейный пучок. Дистанционные решетки являются особенно важными компонентами; они надежно фиксируют более 200 стержней в их точных, заданных положениях, сохраняя при этом минимальные зазоры между стержнями, чтобы обеспечить беспрепятственный поток охлаждающей воды.
В одной активной зоне реактора обычно размещается более 150 таких тепловыделяющих сборок.
Исследование и моделирование фреттинг-износа топливных сборок
Точность производства на уровне аэрокосмических стандартов
Многие люди полагают, что производство ядерного топлива включает в себя не что иное, как простую механическую обработку и сборку; в действительности, однако, требования к точности ошеломляюще высоки.
Возьмем, к примеру, разделительные решетки: они состоят из тысяч пружин и выступов, размерные допуски каждого из которых должны контролироваться с точностью до толщины человеческого волоса. Если бы оно было хоть немного смещено, силы поддержки топливных стержней были бы неравномерными; в ходе длительной-эксплуатации это могло привести к деформации и вибрации.
Затем возникает вопрос контроля плотности топливных таблеток. Таблетки диоксида урана должны быть спрессованы до достаточной плотности,-но не *слишком* плотной. Если плотность слишком мала, страдает эффективность ядерной реакции; если он слишком высок, недостаточно места для расширения под воздействием облучения, что может привести к растрескиванию оболочки. Этот «правильный» диапазон чрезвычайно узок и требует очень отработанных производственных процессов для обеспечения стабильного производства.
**Крупнейшая в нашей стране линия по производству топливных сборок водо-водяных реакторов: где течет страсть эпохи**
С точки зрения передового производства производство ядерного топлива, по сути, представляет собой высокотехнологичную-интеграцию нескольких дисциплин. Порошковая металлургия, прецизионная механическая обработка, специализированная сварка, неразрушающий контроль-каждый отдельный этап представляет собой вершину технологического совершенства.
**Куда уходит отработанное топливо?**
Ядерное топливо обычно остается в реакторе в течение трех-пяти циклов, каждый цикл длится примерно восемнадцать месяцев. В течение этого периода уран-235 постепенно расходуется, одновременно генерируются новые нуклиды, такие как плутоний-239. Как только энергетический потенциал в значительной степени исчерпан, это топливо становится так называемым «отработанным топливом».
Отработанное топливо не является отходами. Он все еще содержит несгоревший уран-235, а также недавно полученный плутоний-239, оба из которых являются ценными ядерными ресурсами. На международном уровне некоторые страны занимаются переработкой для восстановления и повторного использования этих материалов. Наша страна также придерживается подхода «замкнутого цикла»: извлечения полезных компонентов из отработанного топлива для изготовления новых ТВС.
**Контейнеры для перевозки отработавшего топлива отечественного производства призваны разрушить иностранную монополию: прототип прошел приемочные испытания и готов к серийному производству**
**Вопрос, над которым стоит задуматься**
Когда я пишу это, мне приходит в голову мысль: глобальный спрос на новое ядерное топливо составляет десятки тысяч тонн ежегодно; однако, когда дело доходит до основных компонентов,-таких как высокоточные-трубки из циркониевого сплава и высокоэффективные-дистанционные решетки-только несколько стран обладают возможностями их производства.
За последние несколько лет наши внутренние возможности быстро расширились; мы перешли от полной зависимости от импорта к возможности производить большую часть этих компонентов самостоятельно. Тем не менее, некоторые конкретные марки циркониевых сплавов-а также некоторые типы контрольного оборудования-нам по-прежнему приходится закупать из-за границы.
Я всегда считал, что в сфере производства ядерного топлива решающим фактором успеха является базовая основа страны в основных отраслях промышленности. Без передовых технологий порошковой металлургии невозможно повысить качество топливных таблеток; без возможности высокоточной-точной обработки сетки позиционирования не смогут соответствовать требуемым стандартам; а без строгой системы управления качеством компоненты не могут быть допущены даже к установке в ядерный реактор.
В конечном счете, основная конкурентоспособность передового производства заключается не просто в способности производить конкретный компонент, а в способности полностью интегрировать всю производственную цепочку и обеспечить ее стабильную и надежную работу.
