Quan la gent pensa en les centrals nuclears, els seus primers pensaments sovint es dirigeixen a estructures massives com els recipients de contenció, els recipients a pressió dels reactors i els generadors de vapor. No obstant això, els components veritablement crítics són en realitat aquells modestos "barrots" situats a les profunditats del nucli del reactor.
Aquests elements es coneixen com barres de combustible nuclear. Cada vareta només mesura entre tres i quatre metres de llarg-aproximadament el gruix d'un dit humà. No obstant això, una sola d'aquestes varetes discretes genera prou energia per alimentar una llar mitjana durant dècades.
La central nuclear de Rostov de Rússia comença a provar conjunts de combustible avançats
El combustible nuclear no es pot utilitzar directament fora del sòl
Molta gent assumeix que el combustible nuclear és com el carbó-cosa que es pot extreure de la terra i cremar immediatament. Aquest no és absolutament el cas.
El mineral d'urani natural conté principalment dos isòtops: l'urani-238 i l'urani-235. L'isòtop capaç de patir fissió nuclear és l'urani-235; tanmateix, representa menys de l'1% de l'urani natural. La resta es compon íntegrament d'urani-238, que no es pot utilitzar directament com a combustible.
És molt semblant a voler menjar llavors de gira-sol: és possible que tingueu una bossa sencera de llavors, però només unes poques contenen grans comestibles, mentre que la resta és només closca.
En conseqüència, un cop extret el mineral d'urani de la mina, s'ha de sotmetre a una sèrie de processos complexos: trituració, mòlta, lixiviació, extracció, precipitació, enriquiment i més-cap dels quals són tasques senzilles. L'etapa d'enriquiment, en particular, requereix l'ús de centrífugues d'alta-velocitat per separar l'urani-235 de l'urani-238, dues substàncies que són físicament gairebé idèntiques. Aquesta és una tecnologia sofisticada que només un grapat de nacions d'arreu del món han dominat completament.
La indústria de l'urani de la Xina aconsegueix un bon començament d'iniciatives clau
El combustible per als reactors d'aigua a pressió s'assembla als "llapis energètics"
Actualment, la gran majoria de les centrals nuclears del món utilitzen reactors d'aigua a pressió (PWR). El combustible nuclear primari utilitzat en aquests reactors és el diòxid d'urani.
El diòxid d'urani és un material ceràmic. Es pressiona en petits grànuls cilíndrics-cadascun de la mida d'una píndola medicinal, amb un diàmetre d'aproximadament un centímetre i una alçada lleugerament superior a un centímetre. Aquests petits cilindres es coneixen com a "pellets" de combustible nuclear.
Un mètode i un procés per a la preparació de diòxid d'urani
A continuació, aquests pellets es carreguen en un tub metàl·lic esvelt i allargat. Aquest tub no està fet de metall normal, sinó d'un aliatge de zirconi. L'aliatge de zirconi té una propietat especialment notable: absorbeix molt pocs neutrons. És essencial que els neutrons travessin el material del tub amb una absorció mínima perquè puguin colpejar els 235 àtoms d'urani, mantenint així la reacció de fissió nuclear. Si en el seu lloc s'utilitzi un material diferent-un amb una gran capacitat d'absorció de neutrons, el reactor no podria funcionar.
Les parets d'aquests tubs d'aliatge de zirconi són només unes dècimes de mil·límetre de gruix-més primes, de fet, que una targeta bancària estàndard. No obstant això, han de suportar les condicions extremes del reactor: temperatures que superen els 300 graus, pressions que superen les 100 atmosferes i el bombardeig implacable i-de neutrons a llarg termini. El procés de fabricació exigeix una precisió tan extraordinària que, dins de la Xina, es pot comptar d'una banda el nombre d'empreses capaços d'executar-lo.
Una sola barra de combustible consta de centenars de pellets de combustible apilats uns sobre els altres.
El procés de càrrega s'assembla a enfilar fruita confitada a una broqueta.
En primer lloc, els pellets de diòxid d'urani s'insereixen un a un als tubs d'aliatge de zirconi; un sol tub pot acomodar aproximadament 300 pellets. Els pellets no es poden posar en contacte directe entre ells; s'ha de deixar un petit espai entre ells, ja que els pellets s'expandiran durant la reacció nuclear. Els extrems del tub es tanquen hermèticament amb taps d'extrem mitjançant soldadura, i l'interior s'omple amb gas heli. L'heli posseeix una excel·lent conductivitat tèrmica, facilitant la transferència de calor generada pels pellets des de l'interior del tub a l'exterior.
D'aquesta manera, es completa una sola barra de combustible.
Tanmateix, un reactor nuclear requereix no només una o dues barres de combustible-ni tan sols una o dues-centes. Prenent com a exemple un reactor d'aigua a pressió (PWR) de classe domèstica d'un milió de -quilowatts-, el nucli del reactor ha d'allotjar entre 40.000 i 50.000 barres de combustible.
Logísticament és impossible inserir de 40.000 a 50.000 varetes individualment; aquest mètode consumiria massa-temps i impediria una fixació estructural adequada. En conseqüència, en la pràctica de l'enginyeria, aquestes barres s'acoblen en "conjunts de combustible".
Un conjunt de combustible normalment pren la forma següent: un paquet de més de 200 barres de combustible s'uneix-incorporant plaques d'extrem superior i inferior, així com reixetes separadores-per formar un paquet rectilini net. Les reixetes separadores són components especialment crítics; Ancoren fermament les barres de més de 200 en les seves posicions precises i designades mentre mantenen espais minúsculs entre les barres per garantir el flux sense obstacles de l'aigua de refrigeració.
Un sol nucli de reactor alberga normalment més de 150 conjunts de combustible d'aquest tipus.
Recerca i anàlisi de simulació del desgast per fretting en conjunts de combustible
Precisió de fabricació a l'alçada dels estàndards aeroespacials
Molta gent assumeix que la fabricació de combustible nuclear no implica res més que un simple mecanitzat i muntatge; en realitat, però, els requisits de precisió són sorprenentment alts.
Penseu, per exemple, en les reixetes espaciadores: presenten milers de molles i sortints, la tolerància dimensional de cadascuna de les quals s'ha de controlar dins de la magnitud del gruix d'un cabell humà. Si hagués estat lleugerament apagat, les forces de suport a les barres de combustible haurien estat desiguals; en el transcurs d'un funcionament-a llarg termini, això podria haver provocat deformacions i vibracions.
Després hi ha la qüestió de controlar la densitat dels pellets de combustible. Els pellets de diòxid d'urani s'han de premsar fins a una densitat suficient-però no *massa* densa. Si la densitat és massa baixa, l'eficiència de la reacció nuclear es ressent; si és massa alt, no hi ha prou espai per a l'expansió sota irradiació, cosa que pot provocar que el revestiment s'esquerdi. Aquesta gamma "just correcta" és extremadament estreta, i requereix processos de fabricació molt madurs per garantir una producció estable.
**La línia de producció més gran de la nostra nació per a conjunts de combustible de reactors d'aigua a pressió: on flueix la passió de l'època**
Des de la perspectiva de la fabricació avançada, la fabricació de combustible nuclear és, en essència, una integració-de gamma alta de múltiples disciplines. La metal·lúrgia de pols, el mecanitzat de precisió, la soldadura especialitzada, les proves no-destructives-cada etapa individual representa el cim de l'excel·lència tecnològica.
**On va el combustible gastat?**
El combustible nuclear normalment roman en un reactor de tres a cinc cicles, amb una durada de cada cicle aproximadament divuit mesos. Durant aquest període, l'urani-235 es consumeix gradualment, mentre que simultàniament es generen nous nuclids, com el plutoni-239. Un cop el potencial energètic s'ha esgotat en gran mesura, aquest combustible es converteix en el que es coneix com a "combustible gastat".
El combustible gastat no és un residu. Encara conté urani-235 sense cremar, així com plutoni-239 de nova generació, tots dos recursos nuclears valuosos. A nivell internacional, algunes nacions participen en el reprocessament per recuperar i reutilitzar aquests materials. El nostre país també segueix un enfocament de "cicle tancat": extreure els components útils del combustible gastat per fabricar nous conjunts de combustible.
**Bols de transport de combustible gastat produïts a nivell nacional preparats per trencar el monopoli estranger: el prototip passa les proves d'acceptació i està preparat per a la producció en massa**
**Una pregunta que val la pena reflexionar**
Mentre escric això, se m'ocorre una idea: la demanda mundial de nou combustible nuclear ascendeix a desenes de milers de tones anuals; tanmateix, quan es tracta de components bàsics-com ara tubs d'aliatge de zirconi d'alta-precisió i-reixetes separadores d'alt rendiment-només un grapat de països tenen la capacitat de fabricar-los.
Durant els últims anys, les nostres capacitats domèstiques han avançat ràpidament; hem passat de dependre completament de les importacions a poder fabricar la majoria d'aquests components nosaltres mateixos. No obstant això, per a determinats graus específics d'aliatges de zirconi-així com per a determinats tipus d'equips d'inspecció-encara necessitem adquirir-los a l'estranger.
Sempre he cregut que, en l'àmbit de la fabricació de combustible nuclear, l'últim determinant de l'èxit és la base subjacent d'una nació en les indústries bàsiques. Sense tècniques de metal·lúrgia de pols superiors, la qualitat dels pellets de combustible no es pot elevar; sense capacitats de mecanitzat d'alta-precisió, les graelles de posicionament no poden complir els estàndards requerits; i sense un sistema de gestió de qualitat rigorós, els components ni tan sols es poden netejar per instal·lar-los en un reactor nuclear.
En definitiva, la competitivitat bàsica de la fabricació avançada no rau només en la capacitat de produir un component específic, sinó més aviat en la capacitat d'integrar completament tota la cadena industrial i garantir-ne un funcionament estable i fiable.
