Apabila orang berfikir tentang loji janakuasa nuklear, fikiran pertama mereka sering beralih kepada struktur besar seperti kapal pembendungan, vesel tekanan reaktor dan penjana wap. Walau bagaimanapun, komponen yang benar-benar kritikal sebenarnya adalah "rod kecil" sederhana yang terletak jauh di dalam teras reaktor.
Barangan ini dikenali sebagai rod bahan api nuklear. Setiap rod hanya berukuran kira-kira tiga hingga empat meter panjang-kira-kira ketebalan jari manusia. Namun, satu daripada rod yang tidak mencolok ini menjana tenaga yang mencukupi untuk menjana tenaga purata isi rumah selama beberapa dekad.
Loji Kuasa Nuklear Rostov Rusia Mula Menguji Pemasangan Bahan Api Termaju
Bahan Api Nuklear Tidak Boleh Digunakan Terus dari Tanah
Ramai orang beranggapan bahawa bahan api nuklear adalah seperti arang batu-sesuatu yang boleh digali keluar dari bumi dan dibakar serta-merta. Ini sama sekali tidak berlaku.
Bijih uranium asli terutamanya mengandungi dua isotop: Uranium-238 dan Uranium-235. Isotop yang mampu mengalami pembelahan nuklear ialah Uranium-235; bagaimanapun, ia menyumbang kurang daripada 1% uranium semulajadi. Selebihnya terdiri sepenuhnya daripada Uranium-238, yang tidak boleh digunakan secara langsung sebagai bahan api.
Ia sama seperti ingin makan biji bunga matahari: anda mungkin mempunyai sebekas biji benih, tetapi hanya sebilangan kecil sahaja yang mengandungi biji yang boleh dimakan, manakala selebihnya hanyalah cangkang.
Akibatnya, sebaik sahaja bijih uranium diekstrak daripada lombong, ia mesti menjalani satu siri proses yang kompleks: penghancuran, pengisaran, larut lesap, pengekstrakan, pemendakan, pengayaan dan banyak lagi-yang tiada satu pun tugas yang mudah. Peringkat pengayaan, khususnya, memerlukan penggunaan-emparan berkelajuan tinggi untuk memisahkan Uranium-235 daripada Uranium-238-dua bahan yang secara fizikalnya hampir serupa. Ini adalah teknologi canggih yang hanya segelintir negara di seluruh dunia telah menguasai sepenuhnya.
Industri Uranium China Mencapai Permulaan Yang Teguh kepada Inisiatif Utama
Bahan Api untuk Reaktor Air Bertekanan Menyerupai "Pensel Tenaga"
Pada masa ini, sebahagian besar loji tenaga nuklear di seluruh dunia menggunakan Reaktor Air Bertekanan (PWR). Bahan api nuklear utama yang digunakan dalam reaktor ini ialah uranium dioksida.
Uranium dioksida ialah bahan seramik. Ia ditekan menjadi pelet silinder kecil-setiap satu kira-kira saiz pil ubat, dengan diameter kira-kira satu sentimeter dan ketinggian sedikit melebihi satu sentimeter. Silinder kecil ini dikenali sebagai "pelet" bahan api nuklear.
Kaedah dan Proses Penyediaan Uranium Dioksida
Pelet ini kemudiannya dimuatkan ke dalam tiub logam yang langsing dan memanjang. Tiub ini bukan diperbuat daripada logam biasa, sebaliknya daripada aloi zirkonium. Aloi zirkonium mempunyai sifat yang luar biasa: ia menyerap sangat sedikit neutron. Adalah penting bahawa neutron melalui bahan tiub dengan penyerapan minimum supaya ia boleh menyerang Uranium-235 atom, dengan itu mengekalkan tindak balas pembelahan nuklear. Jika bahan lain-yang mempunyai kapasiti yang kuat untuk penyerapan neutron digunakan sebaliknya, reaktor tidak akan dapat berfungsi.
Dinding tiub aloi zirkonium ini hanya beberapa persepuluh milimeter tebal-lebih nipis, sebenarnya, daripada kad bank standard. Namun, mereka mesti menahan keadaan ekstrem dalam reaktor: suhu melebihi 300 darjah , tekanan melebihi 100 atmosfera dan pengeboman neutron jangka panjang-yang tidak henti-henti. Proses pembuatan memerlukan ketepatan yang luar biasa sehingga, di China, bilangan perusahaan yang mampu melaksanakannya boleh dikira dengan satu tangan.
Satu rod bahan api terdiri daripada beratus-ratus pelet bahan api yang disusun di atas satu sama lain.
Proses pemuatan mempunyai persamaan dengan memasukkan buah manisan pada lidi.
Pertama, pelet uranium dioksida dimasukkan satu demi satu ke dalam tiub aloi zirkonium; satu tiub boleh memuatkan lebih kurang 300 biji pelet. Pelet tidak boleh diletakkan secara langsung antara satu sama lain; jurang kecil mesti ditinggalkan di antara mereka, kerana pelet akan mengembang semasa tindak balas nuklear. Hujung tiub kemudiannya dimeterai secara hermetik dengan palam hujung melalui kimpalan, dan bahagian dalam diisi semula dengan gas helium. Helium mempunyai kekonduksian terma yang sangat baik, memudahkan pemindahan haba yang dihasilkan oleh pelet dari bahagian dalam tiub ke persekitaran luar.
Dengan cara ini, satu rod bahan api siap.
Walau bagaimanapun, reaktor nuklear bukan hanya memerlukan satu atau dua batang bahan api-malahan satu atau dua ratus. Mengambil contoh biasa-kilowatt-kelas Reaktor Air Bertekanan (PWR) domestik, teras reaktor mesti menempatkan antara 40,000 dan 50,000 rod bahan api.
Secara logistik mustahil untuk memasukkan 40,000 hingga 50,000 batang secara individu; kaedah sedemikian akan memakan masa yang terlalu lama-dan akan menghalang penetapan struktur yang betul. Akibatnya, dalam amalan kejuruteraan, rod ini dipasang menjadi "himpunan bahan api."
Pemasangan bahan api lazimnya dalam bentuk berikut: satu berkas lebih 200 batang bahan api diikat bersama-menggabungkan plat hujung atas dan bawah serta grid pengatur jarak-untuk membentuk satu berkas rectilinear yang kemas. Grid pengatur jarak adalah komponen yang sangat kritikal; mereka melabuhkan rod 200-plus dengan kukuh pada kedudukan tepat mereka yang ditetapkan sambil mengekalkan jurang minit antara rod untuk memastikan aliran air penyejuk yang tidak terhalang.
Satu teras reaktor tunggal biasanya memuatkan lebih daripada 150 pemasangan bahan api tersebut.
Analisis Penyelidikan dan Simulasi Kehausan Fretting dalam Perhimpunan Bahan Api
Ketepatan Pembuatan Setanding dengan Piawaian Aeroangkasa
Ramai orang beranggapan bahawa fabrikasi bahan api nuklear melibatkan tidak lebih daripada pemesinan dan pemasangan mudah; pada hakikatnya, bagaimanapun, keperluan ketepatan adalah sangat tinggi.
Pertimbangkan grid spacer, sebagai contoh: ia menampilkan beribu-ribu mata air dan tonjolan, toleransi dimensi setiap satunya mesti dikawal dalam magnitud ketebalan rambut manusia. Sekiranya ia terkeluar sedikit, daya sokongan pada rod bahan api akan menjadi tidak sekata; sepanjang tempoh operasi-panjang, ini boleh menyebabkan ubah bentuk dan getaran.
Kemudian ada perkara mengawal ketumpatan pelet bahan api. Pelet uranium dioksida mesti ditekan pada ketumpatan yang mencukupi-namun tidak *terlalu* padat. Jika ketumpatan terlalu rendah, kecekapan tindak balas nuklear terjejas; jika ia terlalu tinggi, terdapat ruang yang tidak mencukupi untuk pengembangan di bawah penyinaran, yang boleh menyebabkan pelapisan retak. Julat "tepat" ini sangat sempit, memerlukan proses pembuatan yang sangat matang untuk memastikan pengeluaran yang stabil.
**Barisan Pengeluaran Terbesar Negara Kita untuk Perhimpunan Bahan Api Reaktor Air Bertekanan: Tempat Keghairahan Era Mengalir**
Dari perspektif pembuatan termaju, fabrikasi bahan api nuklear, pada asasnya, adalah-penyepaduan tinggi bagi pelbagai disiplin. Metalurgi serbuk, pemesinan ketepatan, kimpalan khusus, ujian tidak-memusnahkan-setiap peringkat individu mewakili kemuncak kecemerlangan teknologi.
**Ke Mana Perginya Bahan Bakar Yang Dibelanjakan?**
Bahan api nuklear biasanya kekal dalam reaktor selama tiga hingga lima kitaran, dengan setiap kitaran berlangsung kira-kira lapan belas bulan. Dalam tempoh ini, Uranium-235 digunakan secara beransur-ansur, manakala nuklida baharu-seperti Plutonium-239-dijana secara serentak. Apabila potensi tenaga telah habis, bahan api ini menjadi apa yang dikenali sebagai "bahan api yang dibelanjakan."
Bahan api yang dibelanjakan bukan pembaziran. Ia masih mengandungi Uranium-235 yang tidak terbakar serta Plutonium-239 yang baru dijana-keduanya adalah sumber nuklear yang berharga. Di peringkat antarabangsa, sesetengah negara terlibat dalam pemprosesan semula untuk mendapatkan semula dan menggunakan semula bahan ini. Negara kita juga sedang menjalankan pendekatan "kitaran tertutup": mengekstrak komponen berguna daripada bahan api terpakai untuk membuat pemasangan bahan api baharu.
**Tong Pengangkutan Bahan Api Dibelanjakan Keluaran Dalam Negara Ditetapkan Memecahkan Monopoli Asing: Prototaip Lulus Ujian Penerimaan dan Sedia untuk Pengeluaran Besar-besaran**
**Persoalan yang Patut Difikirkan**
Semasa saya menulis ini, saya terfikir: permintaan global untuk bahan api nuklear baharu berjumlah puluhan ribu tan setiap tahun; namun, apabila menyentuh komponen teras-seperti tiub aloi zirkonium berketepatan tinggi-dan-grid spacer berprestasi tinggi-hanya segelintir negara sahaja yang mempunyai keupayaan untuk mengeluarkannya.
Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, keupayaan domestik kami telah berkembang pesat; kami telah beralih daripada bergantung sepenuhnya kepada import kepada berupaya mengeluarkan sebahagian besar komponen ini sendiri. Namun begitu, untuk gred tertentu aloi zirkonium-serta jenis peralatan pemeriksaan tertentu-kami masih mendapati diri kami perlu mendapatkannya dari luar negara.
Saya sentiasa percaya bahawa, dalam bidang fabrikasi bahan api nuklear, penentu kejayaan muktamad adalah asas asas negara dalam industri asas. Tanpa teknik metalurgi serbuk yang unggul, kualiti pelet bahan api tidak boleh dinaikkan; tanpa-keupayaan pemesinan berketepatan tinggi, grid kedudukan tidak dapat memenuhi piawaian yang diperlukan; dan tanpa sistem pengurusan kualiti yang ketat, komponen tidak boleh dibersihkan untuk dipasang dalam reaktor nuklear.
Akhirnya, daya saing teras pembuatan termaju bukan hanya terletak pada keupayaan untuk menghasilkan komponen tertentu, tetapi lebih kepada kapasiti untuk menyepadukan sepenuhnya keseluruhan rantaian industri dan memastikan operasinya yang stabil dan boleh dipercayai.
