เมื่อผู้คนนึกถึงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ความคิดแรกของพวกเขามักจะหันไปที่โครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น ถังกักเก็บ ถังแรงดันของเครื่องปฏิกรณ์ และเครื่องกำเนิดไอน้ำ อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบที่สำคัญอย่างแท้จริงจริงๆ แล้วคือ "แท่งเล็กๆ" ที่ดูเรียบง่ายซึ่งอยู่ลึกเข้าไปในแกนเครื่องปฏิกรณ์
รายการเหล่านี้เรียกว่าแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ไม้วัดแต่ละอันมีความยาวเพียงประมาณสามถึงสี่เมตร-ซึ่งมีความหนาประมาณนิ้วของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม แท่งที่ไม่เด่นเพียงแท่งเดียวเหล่านี้กลับสร้างพลังงานได้เพียงพอสำหรับจ่ายพลังงานให้กับครัวเรือนโดยเฉลี่ยมานานหลายทศวรรษ
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์รอสตอฟของรัสเซียเริ่มทดสอบส่วนประกอบเชื้อเพลิงขั้นสูง
เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไม่สามารถใช้จากพื้นดินโดยตรงได้
หลายๆ คนสันนิษฐานว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ก็เหมือนกับถ่านหิน-ซึ่งสามารถขุดขึ้นมาจากพื้นดินและเผาได้ทันที นี่ไม่ใช่กรณีอย่างแน่นอน
แร่ยูเรเนียมธรรมชาติประกอบด้วยสองไอโซโทปเป็นหลัก: ยูเรเนียม-238 และยูเรเนียม-235 ไอโซโทปที่สามารถเกิดฟิชชันนิวเคลียร์ได้คือยูเรเนียม-235 อย่างไรก็ตาม มีสัดส่วนน้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมธรรมชาติ ส่วนที่เหลือประกอบด้วยยูเรเนียม-238 ทั้งหมด ซึ่งไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยตรงได้
มันเหมือนกับการอยากกินเมล็ดทานตะวันมาก คุณอาจมีเมล็ดทั้งถุง แต่มีเพียงไม่กี่เมล็ดเท่านั้นที่มีเมล็ดที่กินได้ ในขณะที่ส่วนที่เหลือเป็นเพียงเปลือกเท่านั้น
ด้วยเหตุนี้ เมื่อสกัดแร่ยูเรเนียมออกจากเหมืองแล้ว จะต้องผ่านกระบวนการที่ซับซ้อนหลายขั้นตอน เช่น การบด การบด การชะล้าง การสกัด การตกตะกอน การเสริมสมรรถนะ และอื่นๆ อีกมากมาย-ไม่มีงานใดที่ง่ายเลย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขั้นตอนการเสริมสมรรถนะต้องใช้เครื่องหมุนเหวี่ยงความเร็วสูง-เพื่อแยกยูเรเนียม-235 ออกจากยูเรเนียม-238 ซึ่งเป็นสารสองชนิดที่เกือบจะเหมือนกันทางกายภาพ นี่เป็นเทคโนโลยีที่ซับซ้อนซึ่งมีเพียงไม่กี่ประเทศทั่วโลกเท่านั้นที่เชี่ยวชาญอย่างเต็มรูปแบบ
อุตสาหกรรมยูเรเนียมของจีนประสบความสำเร็จในการริเริ่มโครงการสำคัญอย่างแข็งแกร่ง
เชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันมีลักษณะคล้าย "ดินสอพลังงาน"
ปัจจุบัน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่ทั่วโลกใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดัน (PWR) เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลักที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้คือยูเรเนียมไดออกไซด์
ยูเรเนียมไดออกไซด์เป็นวัสดุเซรามิก อัดเป็นเม็ดทรงกระบอกเล็กๆ-แต่ละเม็ดมีขนาดประมาณเม็ดยา โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เซนติเมตรและสูงเกิน 1 เซนติเมตรเล็กน้อย กระบอกสูบขนาดเล็กเหล่านี้เรียกว่า "เม็ด" เชื้อเพลิงนิวเคลียร์
วิธีการและกระบวนการเตรียมยูเรเนียมไดออกไซด์
จากนั้นจึงบรรจุเม็ดเหล่านี้ลงในท่อโลหะที่เรียวยาว ท่อนี้ไม่ได้ทำจากโลหะธรรมดา แต่เป็นโลหะผสมเซอร์โคเนียม โลหะผสมเซอร์โคเนียมมีคุณสมบัติที่โดดเด่นเป็นพิเศษ: ดูดซับนิวตรอนได้น้อยมาก จำเป็นอย่างยิ่งที่นิวตรอนจะต้องผ่านวัสดุที่เป็นหลอดโดยมีการดูดกลืนแสงน้อยที่สุดเพื่อที่จะสามารถโจมตีอะตอมยูเรเนียมได้-235 อะตอม ซึ่งจะทำให้ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียร์คงอยู่ต่อไป หากใช้วัสดุอื่น-ซึ่งมีความสามารถในการดูดซับนิวตรอนสูงแทน เครื่องปฏิกรณ์จะไม่สามารถทำงานได้
ผนังของท่อโลหะผสมเซอร์โคเนียมเหล่านี้มีความหนาเพียงสองสามในสิบของมิลลิเมตร- จริงๆ แล้วบางกว่าบัตรธนาคารมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม พวกมันจะต้องทนทานต่อสภาวะสุดขั้วภายในเครื่องปฏิกรณ์ เช่น อุณหภูมิที่สูงกว่า 300 องศา ความดันที่สูงกว่า 100 บรรยากาศ และการระดมยิงนิวตรอนในระยะยาว-อย่างไม่หยุดยั้ง กระบวนการผลิตต้องการความแม่นยำเป็นพิเศษ ซึ่งภายในประเทศจีน จำนวนองค์กรที่สามารถดำเนินการได้นั้นสามารถนับได้ด้วยมือเดียว
แท่งเชื้อเพลิงแท่งเดียวประกอบด้วยเม็ดเชื้อเพลิงหลายร้อยเม็ดเรียงซ้อนกัน
กระบวนการบรรจุจะคล้ายกับการร้อยผลไม้หวานลงบนไม้เสียบ
ขั้นแรก ให้ใส่เม็ดยูเรเนียมไดออกไซด์ทีละเม็ดเข้าไปในท่ออัลลอยด์เซอร์โคเนียม หลอดเดียวบรรจุได้ประมาณ 300 เม็ด ไม่สามารถวางเม็ดสัมผัสกันโดยตรงได้ ต้องเว้นช่องว่างเล็กๆ ระหว่างพวกมัน เนื่องจากเม็ดจะขยายตัวในระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ จากนั้นปลายท่อจะถูกปิดผนึกอย่างแน่นหนาด้วยปลั๊กปลายโดยการเชื่อม และด้านในจะถูกเติมกลับด้วยก๊าซฮีเลียม ฮีเลียมมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายเทความร้อนที่เกิดจากเม็ดจากภายในท่อไปยังสภาพแวดล้อมภายนอก
ด้วยวิธีนี้ แท่งเชื้อเพลิงเพียงอันเดียวจึงเสร็จสมบูรณ์
อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไม่ต้องการแท่งเชื้อเพลิงเพียงหนึ่งหรือสองแท่ง-หรือหนึ่งหรือสองร้อยแท่งด้วยซ้ำ ยกตัวอย่างเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดัน (PWR) ระดับ-กิโลวัตต์{3}}ในประเทศโดยทั่วไป แกนเครื่องปฏิกรณ์จะต้องมีแท่งเชื้อเพลิงอยู่ระหว่าง 40,000 ถึง 50,000 แท่ง
เป็นไปไม่ได้ในทางลอจิสติกส์ที่จะใส่แท่งขนาด 40,000 ถึง 50,000 แท่งทีละแท่ง วิธีการดังกล่าวอาจใช้เวลานานเกินไป-และจะทำให้ไม่สามารถยึดโครงสร้างที่เหมาะสมได้ ดังนั้นในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม แท่งเหล่านี้จึงประกอบกันเป็น "ชุดประกอบเชื้อเพลิง"
โดยทั่วไปชุดประกอบเชื้อเพลิงจะอยู่ในรูปแบบต่อไปนี้: มัดแท่งเชื้อเพลิงมากกว่า 200 แท่งมัดเข้าด้วยกัน-โดยประกอบด้วยแผ่นปลายด้านบนและด้านล่าง รวมทั้งตะแกรงเว้นระยะ-เพื่อสร้างมัดที่เป็นระเบียบและเป็นเส้นตรง กริดสเปเซอร์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญอย่างยิ่ง โดยยึดแท่งขนาด 200 บวกอย่างแน่นหนาในตำแหน่งที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ ขณะเดียวกันก็รักษาช่องว่างเล็กๆ น้อยๆ ระหว่างแท่งเพื่อให้แน่ใจว่าน้ำหล่อเย็นไหลได้อย่างไม่มีข้อจำกัด
โดยทั่วไปแกนเครื่องปฏิกรณ์เดี่ยวจะรองรับส่วนประกอบเชื้อเพลิงดังกล่าวได้มากกว่า 150 ชิ้น
การวิเคราะห์การวิจัยและการจำลองการสึกหรอของ Fretting ในส่วนประกอบเชื้อเพลิง
ความแม่นยำในการผลิตเทียบเท่ากับมาตรฐานการบินและอวกาศ
หลายๆ คนสันนิษฐานว่าการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไม่ได้เกี่ยวข้องอะไรมากไปกว่าการตัดเฉือนและการประกอบง่ายๆ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้ว ข้อกำหนดด้านความแม่นยำนั้นสูงมาก
ลองพิจารณาตารางตัวเว้นวรรคดู เช่น พวกมันมีสปริงและส่วนที่ยื่นออกมาหลายพันเส้น ซึ่งต้องควบคุมพิกัดความคลาดเคลื่อนของขนาดแต่ละเส้นให้อยู่ภายในขนาดของความหนาของเส้นผมมนุษย์ หากขยับออกไปเล็กน้อย แรงสนับสนุนบนแท่งเชื้อเพลิงก็จะไม่สม่ำเสมอ ในระหว่างการดำเนินการระยะยาว- สิ่งนี้อาจนำไปสู่การเสียรูปและการสั่นสะเทือน
จากนั้นก็มีเรื่องของการควบคุมความหนาแน่นของเม็ดเชื้อเพลิง ต้องอัดเม็ดยูเรเนียมไดออกไซด์ให้มีความหนาแน่นเพียงพอ-แต่ไม่หนาแน่นเกินไป* หากความหนาแน่นต่ำเกินไป ประสิทธิภาพปฏิกิริยานิวเคลียร์จะลดลง หากสูงเกินไป ก็มีพื้นที่ไม่เพียงพอสำหรับการขยายตัวภายใต้การฉายรังสี ซึ่งอาจทำให้การหุ้มแตกได้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ "เหมาะสม" นี้แคบมาก ซึ่งต้องใช้กระบวนการผลิตที่ครบกำหนดสูงเพื่อให้มั่นใจว่าการผลิตมีเสถียรภาพ
**สายการผลิตที่ใหญ่ที่สุดในประเทศของเราสำหรับส่วนประกอบเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดัน: ที่ซึ่งความหลงใหลแห่งยุคสมัยหลั่งไหล**
จากมุมมองของการผลิตขั้นสูง การผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์โดยพื้นฐานแล้วเป็นการบูรณาการ-ระดับไฮเอนด์ของสาขาวิชาต่างๆ โลหะผสมผง การตัดเฉือนที่มีความแม่นยำ การเชื่อมแบบพิเศษ -การทดสอบแบบไม่ทำลาย- แต่ละขั้นตอนแสดงถึงจุดสุดยอดของความเป็นเลิศทางเทคโนโลยี
**เชื้อเพลิงใช้แล้วไปไหน?**
โดยทั่วไปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะยังคงอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์เป็นเวลาสามถึงห้ารอบ โดยแต่ละรอบจะใช้เวลาประมาณสิบแปดเดือน ในช่วงเวลานี้ ยูเรเนียม-235 จะถูกใช้ไปทีละน้อย ในขณะที่นิวไคลด์ใหม่ เช่น พลูโทเนียม-239 ก็ถูกสร้างขึ้นพร้อมกัน เมื่อศักยภาพพลังงานหมดไปมาก เชื้อเพลิงนี้จะกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่า "เชื้อเพลิงใช้แล้ว"
เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วไม่สูญเปล่า ยังคงประกอบด้วยยูเรเนียมที่ยังไม่เผาไหม้-235 และพลูโตเนียม-239 ที่สร้างขึ้นใหม่ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ถือเป็นทรัพยากรนิวเคลียร์อันทรงคุณค่า ในระดับสากล บางประเทศมีส่วนร่วมในการแปรรูปเพื่อนำวัสดุเหล่านี้กลับมาใช้ใหม่ ประเทศของเรากำลังดำเนินการตามแนวทาง "วงจรปิด" เช่นกัน นั่นคือการแยกส่วนประกอบที่มีประโยชน์ออกจากเชื้อเพลิงใช้แล้วเพื่อประกอบเป็นส่วนประกอบเชื้อเพลิงใหม่
**ถังขนส่งเชื้อเพลิงใช้แล้วที่ผลิตในประเทศ เตรียมทำลายการผูกขาดจากต่างประเทศ: ต้นแบบผ่านการทดสอบการยอมรับ และพร้อมสำหรับการผลิตจำนวนมาก**
**คำถามที่ควรค่าแก่การไตร่ตรอง**
ขณะที่ฉันเขียนสิ่งนี้ มีความคิดเกิดขึ้นกับฉัน: ความต้องการเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใหม่ทั่วโลกมีจำนวนนับหมื่นตันต่อปี ทว่า เมื่อพูดถึงส่วนประกอบหลัก-เช่น ท่อโลหะผสมเซอร์โคเนียมอัลลอยด์ที่มีความแม่นยำสูง- และ-โครงตะแกรงประสิทธิภาพสูง- มีเพียงไม่กี่ประเทศเท่านั้นที่มีความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนเหล่านี้
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความสามารถในประเทศของเราก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว เราได้เปลี่ยนจากการพึ่งพาการนำเข้าโดยสิ้นเชิงไปสู่ความสามารถในการผลิตส่วนประกอบส่วนใหญ่เหล่านี้ด้วยตัวเราเอง อย่างไรก็ตาม สำหรับเกรดเฉพาะของเซอร์โคเนียมอัลลอยด์-รวมถึงอุปกรณ์ตรวจสอบบางประเภท- เรายังพบว่าจำเป็นต้องจัดซื้อจากต่างประเทศ
ฉันเชื่อมาโดยตลอดว่าในขอบเขตของการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ตัวกำหนดขั้นสุดท้ายของความสำเร็จคือรากฐานที่สำคัญของประเทศในอุตสาหกรรมพื้นฐาน หากไม่มีเทคนิคโลหะผสมผงที่เหนือกว่า คุณภาพของเม็ดเชื้อเพลิงจะไม่สามารถยกระดับได้ หากไม่มีความสามารถในการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำสูง - เส้นตารางกำหนดตำแหน่งจะไม่เป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนด และหากไม่มีระบบการจัดการคุณภาพที่เข้มงวด ส่วนประกอบต่างๆ ก็ไม่สามารถนำไปติดตั้งในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้
ท้ายที่สุดแล้ว ความสามารถในการแข่งขันหลักของการผลิตขั้นสูงไม่เพียงแต่อยู่ที่ความสามารถในการผลิตส่วนประกอบเฉพาะเท่านั้น แต่ยังอยู่ที่ความสามารถในการบูรณาการห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมดอย่างสมบูรณ์ และรับประกันการดำเนินงานที่มั่นคงและเชื่อถือได้
