Kad cilvēki domā par atomelektrostacijām, viņu pirmās domas bieži vien pārvēršas par masīvām konstrukcijām, piemēram, norobežojošām tvertnēm, reaktoru spiediena tvertnēm un tvaika ģeneratoriem. Tomēr patiesi kritiskie komponenti patiesībā ir tie vienkāršie "mazie stieņi", kas atrodas dziļi reaktora kodolā.
Šie priekšmeti ir pazīstami kā kodoldegvielas stieņi. Katra stieņa garums ir tikai aptuveni trīs līdz četri metri,{1}}kuru garums ir aptuveni cilvēka pirksta biezums. Tomēr viens no šiem neuzkrītošajiem stieņiem ģenerē pietiekami daudz enerģijas, lai darbinātu vidusmēra mājsaimniecību gadu desmitiem.
Krievijas Rostovas atomelektrostacija sāk uzlaboto degvielas komplektu testēšanu
Kodoldegvielu nevar izmantot tieši no zemes
Daudzi cilvēki pieņem, ka kodoldegviela ir gluži kā ogles{0}}kaut kas, ko var izrakt no zemes un nekavējoties sadedzināt. Tas absolūti tā nav.
Dabiskā urāna rūda galvenokārt satur divus izotopus: urānu-238 un urānu-235. Izotops, kas spēj veikt kodola skaldīšanu, ir urāns-235; tomēr tas veido mazāk nekā 1% dabiskā urāna. Atlikušo daļu pilnībā veido urāns-238, ko nevar tieši izmantot kā degvielu.
Tas ir līdzīgi kā vēlme ēst saulespuķu sēklas: jums var būt vesels maiss sēklu, bet tikai daži satur ēdamus kodolus, bet pārējais ir tikai čaumalas.
Līdz ar to, tiklīdz urāna rūda tiek iegūta no raktuves, tai ir jāveic sarežģītu procesu sērija: sasmalcināšana, malšana, izskalošana, ekstrakcija, nogulsnēšana, bagātināšana un citi,- no kuriem neviens nav vienkāršs uzdevums. Jo īpaši bagātināšanas posmā ir jāizmanto ātrgaitas centrifūgas, lai atdalītu urānu-235 no urāna-238 — divas vielas, kas ir fiziski gandrīz identiskas. Šī ir sarežģīta tehnoloģija, ko pilnībā apguvušas tikai dažas valstis visā pasaulē.
Ķīnas urāna rūpniecība panāk spēcīgu sākumu galvenajām iniciatīvām
Degviela spiediena ūdens reaktoriem atgādina "enerģijas zīmuļus"
Pašlaik lielākajā daļā atomelektrostaciju visā pasaulē tiek izmantoti spiediena ūdens reaktori (PWR). Šajos reaktoros izmantotā primārā kodoldegviela ir urāna dioksīds.
Urāna dioksīds ir keramikas materiāls. Tas tiek saspiests mazās cilindriskās granulās,-kuras katra ir aptuveni zāļu tabletes izmērā, ar diametru aptuveni vienu centimetru un augstumu, kas nedaudz pārsniedz vienu centimetru. Šie mazie cilindri ir pazīstami kā kodoldegvielas "granulas".
Urāna dioksīda sagatavošanas metode un process
Pēc tam šīs granulas tiek ievietotas slaidā, iegarenā metāla caurulē. Šī caurule nav izgatavota no parasta metāla, bet gan no cirkonija sakausējuma. Cirkonija sakausējumam piemīt īpaši ievērojama īpašība: tas absorbē ļoti maz neitronu. Ir svarīgi, lai neitroni cauri caurules materiālam izietu ar minimālu absorbciju, lai tie varētu ietriekties urāna{5}}235 atomos, tādējādi uzturot kodola skaldīšanas reakciju. Ja tā vietā tiktu izmantots cits materiāls,{6}}ar spēcīgu neitronu absorbcijas spēju, reaktors nespētu darboties.
Šo cirkonija sakausējuma cauruļu sienas patiesībā ir tikai dažas milimetru desmitdaļas biezākas{0}} nekā standarta bankas kartei. Tomēr tiem ir jāiztur ekstremāli apstākļi reaktorā: temperatūra, kas pārsniedz 300 grādus, spiediens, kas pārsniedz 100 atmosfēras, un nerimstoša, ilgstoša neitronu bombardēšana. Ražošanas process prasa tik neparastu precizitāti, ka Ķīnā var saskaitīt uzņēmumu skaitu, kas spēj to izpildīt.
Viens degvielas stienis sastāv no simtiem degvielas granulu, kas sakrautas viena virs otras.
Iekraušanas process atgādina cukurotu augļu uzspiešanu uz iesma.
Pirmkārt, urāna dioksīda granulas pa vienai ievieto cirkonija sakausējuma caurulēs; vienā caurulē var ievietot aptuveni 300 granulas. Granulas nevar ievietot tiešā saskarē vienu ar otru; starp tām ir jāatstāj niecīga sprauga, jo kodolreakcijas laikā granulas izplešas. Caurules galus pēc tam ar metināšanas palīdzību hermētiski noslēdz ar gala aizbāžņiem, un iekšpusi piepilda ar hēlija gāzi. Hēlijam piemīt lieliska siltumvadītspēja, kas atvieglo granulu radītā siltuma pārnesi no caurules iekšpuses uz ārējo vidi.
Tādā veidā tiek pabeigts viens degvielas stienis.
Tomēr kodolreaktoram ir nepieciešams ne tikai viens vai divi degvielas stieņi{0}}ne arī viens vai divi simti. Kā piemēru ņemot tipisku vietējo miljonu{2}}kilovatu-klases spiediena ūdens reaktoru (PWR), reaktora aktīvās zonas daļā ir jābūt no 40 000 līdz 50 000 degvielas stieņu.
No loģistiskā viedokļa nav iespējams atsevišķi ievietot 40 000 līdz 50 000 stieņu; šāda metode būtu pārāk laikietilpīga-un nepieļautu pareizu struktūras fiksāciju. Līdz ar to inženiertehniskajā praksē šie stieņi tiek samontēti "degvielas komplektos".
Degvielas komplektam parasti ir šāda forma: vairāk nekā 200 degvielas stieņu saišķis ir savienots kopā-, ietverot augšējās un apakšējās gala plāksnes, kā arī starplikas,-veidojot kārtīgu, taisnu kūli. Starplikas ir īpaši svarīgas sastāvdaļas; tie stingri noenkuro vairāk nekā 200 stieņus to precīzajās, norādītajās pozīcijās, vienlaikus saglabājot nelielas atstarpes starp stieņiem, lai nodrošinātu netraucētu dzesēšanas ūdens plūsmu.
Vienā reaktora kodolā parasti ir vairāk nekā 150 šādu degvielas komplektu.
Degvielas mezglu nodiluma izpēte un simulācijas analīze
Ražošanas precizitāte līdzvērtīga kosmosa standartiem
Daudzi cilvēki pieņem, ka kodoldegvielas ražošana ir saistīta tikai ar vienkāršu apstrādi un montāžu; tomēr patiesībā precizitātes prasības ir satriecoši augstas.
Apsveriet, piemēram, starpliku režģus: tiem ir tūkstošiem atsperu un izvirzījumu, no kuriem katra izmēra pielaide ir jākontrolē cilvēka mata biezuma robežās. Ja tas būtu bijis tikai nedaudz nobīdīts, atbalsta spēki uz degvielas stieņiem būtu bijuši nevienmērīgi; ilgstošas darbības laikā-tas varēja izraisīt deformāciju un vibrāciju.
Tad ir jautājums par degvielas granulu blīvuma kontroli. Urāna dioksīda granulas ir jāsaspiež līdz pietiekamam blīvumam{1}}, taču ne *pārāk* blīvām. Ja blīvums ir pārāk zems, cieš kodolreakcijas efektivitāte; ja tas ir pārāk augsts, apstarošanas laikā nav pietiekami daudz vietas izplešanās procesam, kas var izraisīt apšuvuma plaisāšanu. Šis "tieši pareizais" diapazons ir ārkārtīgi šaurs, un tam ir nepieciešami ļoti nobrieduši ražošanas procesi, lai nodrošinātu stabilu ražošanu.
**Mūsu valsts lielākā spiediena ūdens reaktoru degvielas komplektu ražošanas līnija: kur plūst laikmeta kaislības**
No progresīvās ražošanas viedokļa kodoldegvielas ražošana pēc būtības ir vairāku disciplīnu augstākās klases{0}}integrācija. Pulvermetalurģija, precīzā apstrāde, specializēta metināšana, nesagraujošā pārbaude-katrs atsevišķs posms ir tehnoloģiskās izcilības virsotne.
**Kur paliek izlietotā degviela?**
Kodoldegviela parasti paliek reaktorā trīs līdz piecus ciklus, un katrs cikls ilgst aptuveni astoņpadsmit mēnešus. Šajā periodā pakāpeniski tiek patērēts urāns{2}}235, vienlaikus radot jaunus nuklīdus, piemēram, plutoniju-239. Kad enerģijas potenciāls ir lielā mērā izsmelts, šī degviela kļūst par tā dēvēto "izlietoto degvielu".
Izlietotā degviela nav atkritumi. Tajā joprojām ir nesadegts urāns{5}}235, kā arī jaunizveidots plutonijs-239, kas abi ir vērtīgi kodolresursi. Starptautiski dažas valstis nodarbojas ar atkārtotu apstrādi, lai atgūtu un atkārtoti izmantotu šos materiālus. Mūsu valsts arī īsteno "slēgtā cikla" pieeju: no lietotās kodoldegvielas iegūst derīgās sastāvdaļas, lai izgatavotu jaunas degvielas komplektus.
**Iekšzemē ražotas izlietotās degvielas transportēšanas mucas, kas paredzētas, lai izjauktu ārvalstu monopolu: prototips iztur akceptēšanas pārbaudi un ir gatavs masveida ražošanai**
**Jautājums, kuru vērts pārdomāt**
Rakstot, man ienāk prātā doma: globālais pieprasījums pēc jaunas kodoldegvielas sasniedz desmitiem tūkstošu tonnu gadā; tomēr, runājot par galvenajiem komponentiem,-piemēram, augstas-precizitātes cirkonija sakausējuma caurulēm un augstas -veiktspējas starplikas režģiem-, tikai nedaudzām valstīm ir iespēja tos ražot.
Dažu pēdējo gadu laikā mūsu vietējās iespējas ir strauji attīstījušās; mēs esam pārgājuši no pilnīgas atkarības no importa uz iespēju ražot lielāko daļu šo komponentu paši. Tomēr noteiktām cirkonija sakausējumu kategorijām,{1}}kā arī noteiktiem pārbaudes aprīkojuma veidiem-mums joprojām ir jāiegādājas tās no ārzemēm.
Es vienmēr esmu uzskatījis, ka kodoldegvielas ražošanas jomā galvenais veiksmes noteicējs ir nācijas pamats pamatnozarēs. Bez izcilām pulvermetalurģijas metodēm degvielas granulu kvalitāti nevar paaugstināt; bez augstas-precizitātes apstrādes iespējām pozicionēšanas režģi nevar atbilst nepieciešamajiem standartiem; un bez stingras kvalitātes vadības sistēmas komponentus pat nevar atļaut uzstādīšanai kodolreaktorā.
Galu galā progresīvās ražošanas galvenā konkurētspēja slēpjas ne tikai spējā ražot konkrētu komponentu, bet drīzāk spējā pilnībā integrēt visu rūpniecības ķēdi un nodrošināt tās stabilu, uzticamu darbību.
