وقتی مردم به نیروگاه های هسته ای فکر می کنند، اولین افکار آنها اغلب به ساختارهای عظیمی مانند مخازن مهار، مخازن تحت فشار راکتور و ژنراتورهای بخار معطوف می شود. با این حال، اجزای واقعاً حیاتی در واقع همان "میله های کوچک" بی ادعا هستند که در اعماق هسته راکتور قرار دارند.
این اقلام به میله های سوخت هسته ای معروف هستند. طول هر میله فقط حدود سه تا چهار متر-تقریباً به اندازه ضخامت انگشت انسان است. با این حال، تنها یکی از این میله های نامحسوس انرژی کافی برای تامین انرژی یک خانوار متوسط برای چندین دهه تولید می کند.
نیروگاه هسته ای روستوف روسیه آزمایش مجموعه های سوخت پیشرفته را آغاز کرد
سوخت هسته ای را نمی توان مستقیماً خارج از زمین استفاده کرد
بسیاری از مردم تصور می‌کنند که سوخت هسته‌ای درست مانند زغال‌سنگ{0}}چیزی است که می‌توان آن را از زمین بیرون آورد و بلافاصله سوزاند. مطلقاً اینطور نیست.
سنگ معدن اورانیوم طبیعی در درجه اول شامل دو ایزوتوپ است: اورانیوم-238 و اورانیوم-235. ایزوتوپی که قادر به انجام شکافت هسته ای است اورانیوم-235 است. با این حال، کمتر از 1٪ اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد. باقیمانده کاملاً از اورانیوم 238 تشکیل شده است که نمی تواند مستقیماً به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد.
این بسیار شبیه به خوردن تخمه آفتابگردان است: ممکن است یک کیسه کامل دانه داشته باشید، اما فقط تعداد کمی از آنها حاوی دانه های خوراکی هستند، در حالی که بقیه فقط پوسته هستند.
در نتیجه، هنگامی که سنگ معدن اورانیوم از معدن استخراج می‌شود، باید تحت یک سری فرآیندهای پیچیده قرار گیرد: خرد کردن، آسیاب کردن، شستشو، استخراج، بارش، غنی‌سازی، و موارد دیگر-که هیچکدام کار ساده‌ای نیستند. مرحله غنی‌سازی، به‌ویژه، نیازمند استفاده از-سانتریفیوژهای پرسرعت برای جداسازی اورانیوم-235 از اورانیوم-238-دو ماده‌ای است که از نظر فیزیکی تقریباً یکسان هستند. این یک فناوری پیچیده است که تنها تعداد کمی از کشورها در سراسر جهان به طور کامل بر آن تسلط دارند.
صنعت اورانیوم چین به شروعی قوی برای ابتکارات کلیدی دست می یابد
سوخت راکتورهای آب تحت فشار شبیه "مدادهای انرژی" است
در حال حاضر، اکثریت قریب به اتفاق نیروگاه های هسته ای در سراسر جهان از راکتورهای آب تحت فشار (PWR) استفاده می کنند. سوخت هسته ای اولیه مورد استفاده در این راکتورها دی اکسید اورانیوم است.
دی اکسید اورانیوم یک ماده سرامیکی است. به صورت گلوله‌های استوانه‌ای کوچک- که هر کدام تقریباً به اندازه یک قرص دارویی هستند، با قطر حدود یک سانتی‌متر و ارتفاع کمی بیشتر از یک سانتی‌متر فشرده می‌شوند. این سیلندرهای کوچک به عنوان "گلوله" سوخت هسته ای شناخته می شوند.
روش و فرآیندی برای تهیه دی اکسید اورانیوم
سپس این گلوله ها در یک لوله فلزی باریک و کشیده قرار می گیرند. این لوله از فلز معمولی ساخته نشده است، بلکه از آلیاژ زیرکونیوم ساخته شده است. آلیاژ زیرکونیوم خاصیت قابل توجهی دارد: نوترون های بسیار کمی را جذب می کند. ضروری است که نوترون ها از مواد لوله با حداقل جذب عبور کنند تا بتوانند به 235 اتم اورانیوم برخورد کنند و در نتیجه واکنش شکافت هسته ای را حفظ کنند. اگر به جای آن از ماده دیگری- با ظرفیت قوی برای جذب نوترون استفاده شود، راکتور قادر به کار نخواهد بود.
ضخامت دیواره‌های این لوله‌های آلیاژ زیرکونیوم در واقع چند دهم میلی‌متر{0}}از یک کارت بانکی استاندارد نازک‌تر است. با این حال، آنها باید در شرایط شدید درون راکتور مقاومت کنند: دمای بیش از 300 درجه، فشار بیش از 100 اتمسفر، و بمباران بی امان- طولانی مدت نوترون ها. فرآیند تولید آنقدر دقت فوق‌العاده می‌طلبد که در داخل چین، تعداد شرکت‌هایی که قادر به اجرای آن هستند را می‌توان روی یک طرف حساب کرد.
یک میله سوخت متشکل از صدها گلوله سوخت است که روی هم چیده شده اند.
فرآیند بارگذاری شباهتی به نخ کردن میوه های شیرین شده روی سیخ دارد.
ابتدا گلوله های دی اکسید اورانیوم یکی یکی در لوله های آلیاژ زیرکونیوم وارد می شوند. یک لوله می تواند تقریباً 300 گلوله را در خود جای دهد. گلوله ها را نمی توان در تماس مستقیم با یکدیگر قرار داد. یک شکاف کوچک باید بین آنها باقی بماند، زیرا گلوله ها در طول واکنش هسته ای منبسط می شوند. سپس انتهای لوله از طریق جوشکاری با شاخه های انتهایی مهر و موم می شود و داخل آن با گاز هلیوم پر می شود. هلیوم دارای رسانایی حرارتی عالی است و انتقال گرمای تولید شده توسط گلوله ها را از داخل لوله به محیط بیرون تسهیل می کند.
به این ترتیب، یک میله سوخت تک تکمیل می شود.
با این حال، یک راکتور هسته ای نه فقط به یک یا دو میله سوخت- و نه حتی به یک یا دویست میله نیاز دارد. با در نظر گرفتن یک رآکتور معمولی-کیلووات-کلاس آب تحت فشار (PWR) خانگی، هسته راکتور باید بین 40000 تا 50000 میله سوخت را در خود جای دهد.
از نظر لجستیکی غیرممکن است که 40000 تا 50000 میله را به صورت جداگانه وارد کنید. چنین روشی بسیار وقت گیر خواهد بود و از تثبیت ساختاری مناسب جلوگیری می کند. در نتیجه، در عمل مهندسی، این میله ها به "مجموعه های سوخت" مونتاژ می شوند.
یک مجموعه سوخت معمولاً شکل زیر را دارد: بسته‌ای متشکل از 200 میله سوخت به هم متصل می‌شوند-شامل صفحات انتهایی بالا و پایین و همچنین شبکه‌های فاصله‌دهنده{2}} تا یک بسته منظم و مستطیل شکل را تشکیل دهند. شبکه های فاصله ساز اجزای حیاتی هستند. آنها میله های 200 پلاس را در موقعیت های دقیق و تعیین شده خود محکم می کنند و در عین حال شکاف های کوچکی را بین میله ها حفظ می کنند تا از جریان بدون مانع آب خنک کننده اطمینان حاصل شود.
یک هسته راکتور واحد معمولاً بیش از 150 مجموعه سوخت را در خود جای می دهد.
تحقیق و تحلیل شبیه سازی سایش فرتینگ در مجموعه های سوخت
دقت ساخت همتراز با استانداردهای هوافضا
بسیاری از مردم تصور می کنند که ساخت سوخت هسته ای چیزی بیش از ماشینکاری و مونتاژ ساده را شامل نمی شود. در واقعیت، با این حال، الزامات دقت به طرز شگفت انگیزی بالا هستند.
به عنوان مثال، شبکه های فاصله ساز را در نظر بگیرید: آنها دارای هزاران فنر و برآمدگی هستند که تحمل ابعادی هر یک از آنها باید به اندازه ضخامت یک موی انسان کنترل شود. اگر کمی خاموش بود، نیروهای پشتیبانی روی میله های سوخت ناهموار بود. در طول عملیات طولانی مدت-، این ممکن است به تغییر شکل و لرزش منجر شود.
سپس موضوع کنترل تراکم گلوله های سوخت وجود دارد. گلوله های دی اکسید اورانیوم باید به چگالی کافی فشار داده شوند-و نه *خیلی* متراکم. اگر چگالی خیلی کم باشد، راندمان واکنش هسته ای آسیب می بیند. اگر بیش از حد بالا باشد، فضای کافی برای انبساط تحت تابش وجود ندارد، که می تواند باعث ترک خوردن روکش شود. این محدوده "درست" بسیار باریک است و برای اطمینان از تولید پایدار به فرآیندهای تولید بسیار بالغ نیاز دارد.
**بزرگترین خط تولید کشور ما برای مجموعه های سوخت راکتورهای آب تحت فشار: جایی که شور و شوق دوران جریان دارد**
از منظر تولید پیشرفته، ساخت سوخت هسته‌ای، در اصل، ادغام{0}}رشته‌های متعددی است. متالورژی پودر، ماشینکاری دقیق، جوشکاری تخصصی، آزمایش‌های غیرمخرب-هر مرحله اوج برتری فناوری را نشان می‌دهد.
**سوخت مصرف شده کجا می رود؟**
سوخت هسته ای معمولاً برای سه تا پنج سیکل در یک راکتور باقی می ماند که هر چرخه تقریباً هجده ماه طول می کشد. در این دوره، اورانیوم 235 به تدریج مصرف می شود، در حالی که هسته های جدیدی مانند پلوتونیوم-239 به طور همزمان تولید می شوند. هنگامی که پتانسیل انرژی تا حد زیادی تمام شد، این سوخت به چیزی تبدیل می شود که به عنوان "سوخت مصرف شده" شناخته می شود.
سوخت مصرف شده زباله نیست. هنوز هم حاوی اورانیوم نسوخته-235 و همچنین پلوتونیوم-239 تازه تولید شده است که هر دو منابع هسته ای ارزشمندی هستند. در سطح بین المللی، برخی از کشورها برای بازیابی و استفاده مجدد از این مواد، به بازفرآوری می پردازند. کشور ما نیز رویکرد "چرخه بسته" را دنبال می کند: استخراج اجزای مفید از سوخت مصرف شده برای ساخت مجموعه های سوخت جدید.
** کالسکه های حمل و نقل سوخت مصرف شده تولید داخلی برای شکستن انحصار خارجی تنظیم شده اند: نمونه اولیه آزمایش پذیرش را پشت سر گذاشته و برای تولید انبوه آماده است**
**سوالی قابل تامل**
وقتی این را می نویسم، فکری به ذهنم خطور می کند: تقاضای جهانی برای سوخت هسته ای جدید سالانه به ده ها هزار تن می رسد. با این حال، وقتی صحبت از اجزای اصلی-مثل-لوله‌های آلیاژی زیرکونیوم با دقت بالا و{2}}شبکه‌های فاصله‌گیر با کارایی بالا- می‌شود، تنها تعداد کمی از کشورها توانایی تولید آنها را دارند.
طی چند سال گذشته، توانایی های داخلی ما به سرعت پیشرفت کرده است. ما از وابستگی کامل به واردات به توانایی تولید اکثر این قطعات خودمان تغییر کرده ایم. با این وجود، برای گریدهای خاصی از آلیاژهای زیرکونیوم-و همچنین انواع خاصی از تجهیزات بازرسی-ما همچنان نیاز به تهیه آنها از خارج داریم.
من همیشه بر این باور بوده‌ام که در حوزه ساخت سوخت هسته‌ای، تعیین‌کننده نهایی موفقیت، زیربنای یک کشور در صنایع پایه است. بدون تکنیک‌های برتر متالورژی پودر، کیفیت گلوله‌های سوخت قابل افزایش نیست. بدون قابلیت‌های-ماشینکاری با دقت بالا، شبکه‌های موقعیت‌یابی نمی‌توانند استانداردهای لازم را برآورده کنند. و بدون یک سیستم مدیریت کیفیت دقیق، اجزاء را نمی توان حتی برای نصب در یک راکتور هسته ای پاکسازی کرد.
در نهایت، رقابت اصلی تولید پیشرفته صرفاً در توانایی تولید یک جزء خاص نیست، بلکه در ظرفیت یکپارچه سازی کامل کل زنجیره صنعتی و اطمینان از عملکرد پایدار و قابل اعتماد آن نهفته است.
