Kui inimesed mõtlevad tuumaelektrijaamadele, pöörduvad nende esimesed mõtted sageli massiivsete struktuuride poole, nagu kaitseanumad, reaktori surveanumad ja aurugeneraatorid. Kuid tõeliselt kriitilised komponendid on tegelikult need tagasihoidlikud "väikesed vardad", mis asuvad sügaval reaktori südamikus.
Neid esemeid nimetatakse tuumakütuse vardadeks. Iga varda pikkus on umbes kolm kuni neli meetrit{1}}umbes inimese sõrme jämedus. Ometi toodab üksainus neist silmapaistmatutest varrastest piisavalt energiat, et toita keskmine majapidamine aastakümneteks.
Venemaa Rostovi tuumaelektrijaam alustab täiustatud kütusesõlmede katsetamist
Tuumakütust ei saa kasutada otse maapinnast
Paljud inimesed arvavad, et tuumakütus on nagu kivisüsi{0}}miski, mille saab maa seest välja kaevata ja kohe põletada. See pole absoluutselt nii.
Looduslik uraanimaak sisaldab peamiselt kahte isotoopi: uraan-238 ja uraan-235. Tuuma lõhustumisvõimeline isotoop on uraan-235; see moodustab aga vähem kui 1% looduslikust uraanist. Ülejäänud osa koosneb täielikult uraan-238-st, mida ei saa otseselt kütusena kasutada.
See sarnaneb päevalilleseemnete söömisega: teil võib olla terve kotitäis seemneid, kuid ainult mõned sisaldavad söödavaid tuumasid, ülejäänud aga on ainult kest.
Järelikult peab pärast uraanimaagi kaevandusest ekstraheerimist läbima mitmeid keerukaid protsesse: purustamine, jahvatamine, leostumine, ekstraheerimine, sadestamine, rikastamine ja palju muud,-millest ükski pole lihtne ülesanne. Eelkõige rikastamisetapis on vaja kasutada kiireid tsentrifuuge, et eraldada uraan-235 uraan-238-st, mis on füüsiliselt peaaegu identsed. See on keerukas tehnoloogia, mida on täielikult õppinud vaid käputäis riike üle maailma.
Hiina uraanitööstus saavutab oluliste algatuste jaoks tugeva alguse
Surveveereaktorite kütus meenutab "energiapliiatseid"
Praegu kasutab valdav enamus maailma tuumaelektrijaamadest survestatud veereaktoreid (PWR). Nendes reaktorites kasutatav esmane tuumkütus on uraandioksiid.
Uraandioksiid on keraamiline materjal. See pressitakse väikesteks silindrilisteks graanuliteks-, millest igaüks on ligikaudu ravimitableti suurune, läbimõõduga umbes üks sentimeeter ja kõrgusega veidi üle ühe sentimeetri. Neid väikeseid silindreid tuntakse tuumakütuse "graanulitena".
Uraandioksiidi valmistamise meetod ja protsess
Need graanulid laaditakse seejärel peenesse piklikku metalltorusse. See toru ei ole valmistatud tavalisest metallist, vaid pigem tsirkooniumisulamist. Tsirkooniumisulamil on eriti tähelepanuväärne omadus: see neelab väga vähe neutroneid. On oluline, et neutronid läbiksid toru materjali minimaalse neeldumisega, et nad saaksid tabada uraani{5}}235 aatomit, säilitades seeläbi tuuma lõhustumise reaktsiooni. Kui selle asemel kasutataks mõnda muud materjali,{6}}millel on tugev neutronite neeldumisvõime, ei saaks reaktor töötada.
Nende tsirkooniumisulamist torude seinad on tegelikult vaid mõne kümnendiku millimeetri paksused{0}}õhemad kui tavalisel pangakaardil. Ometi peavad nad vastu pidama ekstreemsetele tingimustele reaktoris: temperatuur üle 300 kraadi, rõhk üle 100 atmosfääri ja lakkamatu, pikaajaline neutronite pommitamine. Tootmisprotsess nõuab nii erakordset täpsust, et Hiinas saab seda teostada suutvate ettevõtete arvu ühel käel üles lugeda.
Üks kütusevarras koosneb sadadest üksteise peale laotud kütusegraanulitest.
Laadimisprotsess sarnaneb suhkrustatud puuviljade vardasse keeramisega.
Esiteks sisestatakse tsirkooniumisulamist torudesse ükshaaval uraandioksiidi graanulid; ühte torusse mahub ligikaudu 300 graanulit. Pelleteid ei saa asetada üksteisega otsesesse kontakti; nende vahele tuleb jätta pisike vahe, kuna tuumareaktsiooni käigus graanulid paisuvad. Seejärel suletakse toru otsad keevitamise teel hermeetiliselt otsakorkidega ja sisemus täidetakse tagasi heeliumgaasiga. Heeliumil on suurepärane soojusjuhtivus, mis hõlbustab graanulite tekitatud soojuse ülekandmist toru sisemusest väliskeskkonda.
Sel viisil valmib üks kütusevarras.
Kuid tuumareaktori jaoks pole vaja ainult ühte või kahte kütusevardat{0}}või isegi mitte ühte või kahtesada. Võttes näiteks tüüpilise kodumaise miljoni{2}}kilovatise-klassi surveveereaktori (PWR), peab reaktori südamikus olema 40 000–50 000 kütusevarda.
Logistiliselt on võimatu sisestada 40 000 kuni 50 000 varrast eraldi; selline meetod oleks liiga aeganõudev-ja välistaks õige konstruktsiooni fikseerimise. Järelikult on inseneripraktikas need vardad kokku pandud "kütusesõlmedeks".
Kütusesõlm on tavaliselt järgmisel kujul: üle 200 kütusevardaga kimp on kokku seotud-, mis sisaldab ülemist ja alumist otsaplaati ning vaherõngaid-, moodustades korraliku sirgjoonelise kimbu. Vahetükkide võred on eriti olulised komponendid; need kinnitavad üle 200 varda kindlalt nende täpsetesse, määratud asenditesse, säilitades samal ajal varraste vahel väikesed vahed, et tagada jahutusvee takistamatu vool.
Üks reaktori südamik mahutab tavaliselt rohkem kui 150 sellist kütusesõlme.
Kütusesõlmede kulumise uurimine ja simulatsioonianalüüs
Tootmistäpsus, mis vastab kosmosestandarditele
Paljud inimesed eeldavad, et tuumkütuse tootmine ei hõlma muud kui lihtsat töötlemist ja kokkupanekut; tegelikkuses on aga täpsusnõuded vapustavalt kõrged.
Mõelge näiteks distantsvõredele: neil on tuhandeid vedrusid ja eendeid, millest igaühe mõõtmete tolerantsi tuleb kontrollida juuksekarva paksuse piires. Kui see oleks olnud veidi eemal, oleksid kütusevarrastele mõjuvad toetusjõud olnud ebaühtlased; Pikaajalise-kasutamise käigus võis see põhjustada deformatsiooni ja vibratsiooni.
Siis on küsimus kütusegraanulite tiheduse reguleerimises. Uraandioksiidi graanulid tuleb pressida piisava tiheduseni,{1}}kuid mitte *liiga* tihedad. Kui tihedus on liiga madal, kannatab tuumareaktsiooni efektiivsus; kui see on liiga kõrge, ei ole kiiritamisel piisavalt ruumi paisumiseks, mis võib põhjustada katte pragunemise. See "täpselt õige" vahemik on äärmiselt kitsas ja nõuab stabiilse tootmise tagamiseks väga küpseid tootmisprotsesse.
**Meie riigi suurim surveveereaktorite kütusesõlmede tootmisliin: kus voolab ajastu kirg**
Täiustatud tootmise seisukohast on tuumkütuse tootmine sisuliselt{0}}mitme valdkonna tipptasemel integratsioon. Pulbermetallurgia, täppistöötlus, spetsiaalne keevitamine, mittepurustav katsetamine-iga üksik etapp esindab tehnoloogilise tipptaseme tippu.
**Kuhu kasutatud kütus kaob?**
Tuumakütus jääb tavaliselt reaktorisse kolmeks kuni viieks tsükliks, kusjuures iga tsükkel kestab umbes kaheksateist kuud. Selle perioodi jooksul kulub uraan-235 järk-järgult, samal ajal genereeritakse uusi nukliide, nagu plutoonium-239. Kui energiapotentsiaal on suures osas ammendatud, muutub see kütus nn kulutatud kütuseks.
Kasutatud kütus ei ole jäätmed. See sisaldab endiselt nii põletamata uraani-235 kui ka vastloodud plutoonium-239 – mõlemad on väärtuslikud tuumaressursid. Rahvusvaheliselt tegelevad mõned riigid nende materjalide taaskasutamiseks ja taaskasutamiseks ümbertöötlemisega. Meie riik järgib ka "suletud tsükli" lähenemisviisi: kasutatud tuumkütusest kasulike komponentide eraldamine uute kütusesõlmede valmistamiseks.
**Samas toodetud kasutatud kütuse transpordivaatid, mis murravad välismonopoli: prototüüp läbib vastuvõtutesti ja on masstootmiseks valmis**
**Mõtlemist väärt küsimus**
Seda kirjutades tekib mul mõte: ülemaailmne nõudlus uue tuumakütuse järele ulatub kümnete tuhandete tonnideni aastas; kuid mis puudutab põhikomponente,-nagu ülitäpsed tsirkooniumisulamist torud-ja suure -jõudlusega vaherestid-, suudab neid toota vaid käputäis riike.
Viimase paari aasta jooksul on meie kodumaised võimalused kiiresti arenenud; oleme üle läinud täielikult impordist sõltumiselt suurema osa nendest komponentidest ise toota. Sellegipoolest peame teatud tüüpi tsirkooniumisulamite -ja teatud tüüpi kontrolliseadmete- jaoks siiski neid hankima välismaalt.
Olen alati uskunud, et tuumkütuse tootmise valdkonnas on edu ülim määraja riigi põhitööstus. Ilma paremate pulbermetallurgia tehnikateta ei saa kütusegraanulite kvaliteeti tõsta; ilma suure-täppistöötluse võimalusteta ei suuda positsioneerimisvõred vastata nõutavatele standarditele; ja ilma range kvaliteedijuhtimissüsteemita ei saa komponente isegi tuumareaktorisse paigaldamiseks lubada.
Lõppkokkuvõttes ei seisne arenenud tootmise põhiline konkurentsivõime mitte ainult võimes toota konkreetset komponenti, vaid pigem võimes integreerida täielikult kogu tööstusahel ning tagada selle stabiilne ja usaldusväärne töö.
