عندما يفكر الناس في محطات الطاقة النووية، فإن أفكارهم الأولى غالبًا ما تتجه إلى الهياكل الضخمة مثل أوعية الاحتواء، وأوعية ضغط المفاعلات، ومولدات البخار. ومع ذلك، فإن المكونات المهمة حقًا هي في الواقع تلك "القضبان الصغيرة" المتواضعة الموجودة في عمق قلب المفاعل.
وتعرف هذه العناصر باسم قضبان الوقود النووي. يبلغ طول كل قضيب حوالي ثلاثة إلى أربعة أمتار فقط-وهو ما يعادل سُمك إصبع الإنسان تقريبًا. ومع ذلك، فإن قضيبًا واحدًا من هذه القضبان غير الواضحة يولد طاقة كافية لتزويد منزل متوسط بالطاقة لعقود من الزمن.
محطة روستوف للطاقة النووية الروسية تبدأ باختبار مجمعات الوقود المتقدمة
لا يمكن استخدام الوقود النووي مباشرة من الأرض
يفترض العديد من الأشخاص أن الوقود النووي يشبه الفحم-تمامًا، وهو شيء يمكن استخراجه من الأرض وحرقه على الفور. هذا ليس هو الحال على الاطلاق.
يحتوي خام اليورانيوم الطبيعي بشكل أساسي على نظيرين: اليورانيوم 238 واليورانيوم 235. النظير القادر على الانشطار النووي هو اليورانيوم 235؛ ومع ذلك، فهو يمثل أقل من 1% من اليورانيوم الطبيعي. أما الباقي فيتكون بالكامل من اليورانيوم 238، الذي لا يمكن استخدامه مباشرة كوقود.
إنه يشبه إلى حد كبير الرغبة في تناول بذور عباد الشمس: قد يكون لديك كيس كامل من البذور، ولكن القليل منها فقط يحتوي على حبات صالحة للأكل، في حين أن الباقي مجرد قشرة.
وبالتالي، بمجرد استخراج خام اليورانيوم من المنجم، فإنه يجب أن يخضع لسلسلة معقدة من العمليات: السحق، والطحن، والترشيح، والاستخراج، والترسيب، والتخصيب، والمزيد-ولا تعد أي منها مهامًا بسيطة. تتطلب مرحلة التخصيب، على وجه الخصوص، استخدام أجهزة الطرد المركزي{2}}عالية السرعة لفصل اليورانيوم-235 عن اليورانيوم-238- وهما مادتان متطابقتان تقريبًا فيزيائيًا. وهذه تقنية متطورة لم يتقنها بشكل كامل سوى عدد قليل من الدول في جميع أنحاء العالم.
صناعة اليورانيوم في الصين تحقق بداية قوية للمبادرات الرئيسية
وقود مفاعلات الماء المضغوط يشبه "أقلام الطاقة"
حاليًا، تستخدم الغالبية العظمى من محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم مفاعلات الماء المضغوط (PWRs). الوقود النووي الأساسي المستخدم في هذه المفاعلات هو ثاني أكسيد اليورانيوم.
ثاني أكسيد اليورانيوم مادة خزفية. يتم ضغطها إلى كريات صغيرة أسطوانية-كل منها بحجم حبة دواء تقريبًا، يبلغ قطرها حوالي سنتيمتر واحد وارتفاعها يزيد قليلاً عن سنتيمتر واحد. تُعرف هذه الأسطوانات الصغيرة باسم "كريات" الوقود النووي.
طريقة وعملية لتحضير ثاني أكسيد اليورانيوم
يتم بعد ذلك تحميل هذه الكريات في أنبوب معدني رفيع وطويل. هذا الأنبوب ليس مصنوعًا من المعدن العادي، بل من سبيكة الزركونيوم. تمتلك سبائك الزركونيوم خاصية رائعة بشكل خاص: فهي تمتص عددًا قليلاً جدًا من النيوترونات. من الضروري أن تمر النيوترونات عبر مادة الأنبوب بأقل قدر من الامتصاص حتى تتمكن من ضرب ذرات اليورانيوم -235، وبالتالي الحفاظ على تفاعل الانشطار النووي. إذا تم استخدام مادة مختلفة-ذات قدرة قوية على امتصاص النيوترونات بدلاً من ذلك، فلن يتمكن المفاعل من العمل.
إن جدران هذه الأنابيب المصنوعة من سبائك الزركونيوم أرق في الواقع ببضعة أعشار المليمتر-من البطاقة المصرفية القياسية. ومع ذلك، يجب أن تتحمل الظروف القاسية داخل المفاعل: درجات الحرارة التي تتجاوز 300 درجة، والضغوط التي تتجاوز 100 ضغط جوي، والقصف المستمر-من النيوترونات على المدى الطويل. تتطلب عملية التصنيع دقة غير عادية بحيث يمكن إحصاء عدد الشركات القادرة على تنفيذها داخل الصين من ناحية.
يتكون قضيب الوقود الواحد من مئات من كريات الوقود المكدسة فوق بعضها البعض.
تشبه عملية التحميل وضع الفاكهة المسكرة على سيخ.
أولاً، يتم إدخال كريات ثاني أكسيد اليورانيوم واحدة تلو الأخرى في أنابيب سبائك الزركونيوم؛ أنبوب واحد يمكن أن يستوعب ما يقرب من 300 الكريات. لا يمكن وضع الكريات على اتصال مباشر مع بعضها البعض؛ ويجب ترك فجوة صغيرة بينهما، حيث أن الكريات سوف تتوسع أثناء التفاعل النووي. يتم بعد ذلك إغلاق أطراف الأنبوب بإحكام باستخدام سدادات طرفية عن طريق اللحام، ويتم ردم الجزء الداخلي بغاز الهيليوم. يمتلك الهيليوم موصلية حرارية ممتازة، مما يسهل نقل الحرارة الناتجة عن الكريات من داخل الأنبوب إلى البيئة الخارجية.
بهذه الطريقة، يتم الانتهاء من قضيب وقود واحد.
ومع ذلك، لا يحتاج المفاعل النووي إلى قضيب وقود واحد أو اثنين فقط-ولا حتى مئة أو مائتين. لنأخذ مفاعل الماء المضغوط (PWR) فئة مليون-كيلوواط{3}}محليًا نموذجيًا كمثال، يجب أن يحتوي قلب المفاعل على ما بين 40000 إلى 50000 قضيب وقود.
من المستحيل لوجستيًا إدخال 40.000 إلى 50.000 قضيبًا بشكل فردي؛ قد تستغرق هذه الطريقة الكثير من الوقت{{4}وتمنع التثبيت الهيكلي المناسب. وبالتالي، في الممارسة الهندسية، يتم تجميع هذه القضبان في "مجموعات الوقود".
عادةً ما تأخذ مجموعة الوقود الشكل التالي: يتم ربط حزمة مكونة من أكثر من 200 قضيب وقود معًا-تتضمن الصفائح العلوية والسفلية بالإضافة إلى شبكات المباعدة-لتكوين حزمة مستقيمة وأنيقة. تعتبر شبكات المباعدة مكونات بالغة الأهمية بشكل خاص؛ فهي تثبت بقوة القضبان التي يزيد عددها عن 200 قضيب في مواضعها المحددة بدقة مع الحفاظ على فجوات دقيقة بين القضبان لضمان التدفق دون عوائق لمياه التبريد.
يستوعب قلب المفاعل الواحد عادةً أكثر من 150 مجموعة وقود من هذا النوع.
البحث وتحليل المحاكاة للتآكل في مجموعات الوقود
دقة التصنيع على قدم المساواة مع معايير الفضاء الجوي
يفترض العديد من الناس أن تصنيع الوقود النووي لا يتطلب أكثر من مجرد تصنيع وتجميع بسيطين؛ ولكن في الواقع، متطلبات الدقة مرتفعة بشكل مذهل.
لننظر إلى الشبكات المباعدة، على سبيل المثال: فهي تحتوي على آلاف النوابض والنتوءات، والتي يجب التحكم في التسامح البعدي لكل منها بما لا يتجاوز سمك شعرة الإنسان. لو كان بعيدًا قليلاً، لكانت قوى الدعم على قضبان الوقود غير متساوية؛ وعلى مدار فترة التشغيل الطويلة-، قد يؤدي ذلك إلى التشوه والاهتزاز.
ثم هناك مسألة التحكم في كثافة كريات الوقود. يجب ضغط كريات ثاني أكسيد اليورانيوم حتى تصل إلى كثافة كافية-ولكن ليست *شديدة* الكثافة. إذا كانت الكثافة منخفضة جدًا، فستتأثر كفاءة التفاعل النووي؛ إذا كان مرتفعًا جدًا، فلن يكون هناك مساحة كافية للتمدد تحت الإشعاع، مما قد يتسبب في تشقق الكسوة. هذا النطاق "المناسب تمامًا" ضيق للغاية، ويتطلب عمليات تصنيع ناضجة للغاية لضمان إنتاج مستقر.
**أكبر خط إنتاج في بلادنا لتجميعات وقود مفاعلات الماء المضغوط: حيث تتدفق شغف العصر**
من منظور التصنيع المتقدم، يعد تصنيع الوقود النووي، في جوهره، تكاملًا متطورًا بين تخصصات متعددة. تعدين المساحيق، والتصنيع الدقيق، واللحام المتخصص، والاختبارات غير المدمرة-كل مرحلة على حدة تمثل قمة التميز التكنولوجي.
**أين يذهب الوقود المستهلك؟**
عادة ما يبقى الوقود النووي في المفاعل لمدة ثلاث إلى خمس دورات، وتستمر كل دورة حوالي ثمانية عشر شهرًا. خلال هذه الفترة، يتم استهلاك اليورانيوم-235 تدريجيًا، بينما يتم إنشاء نويدات جديدة - مثل البلوتونيوم -239 - في نفس الوقت. وبمجرد استنفاد إمكانات الطاقة إلى حد كبير، يصبح هذا الوقود ما يعرف باسم "الوقود المستهلك".
الوقود المستهلك ليس نفايات. ولا يزال يحتوي على اليورانيوم -235 غير المحترق بالإضافة إلى البلوتونيوم 239 الذي تم إنتاجه حديثًا، وكلاهما من الموارد النووية القيمة. وعلى المستوى الدولي، تشارك بعض الدول في إعادة المعالجة لاستعادة هذه المواد وإعادة استخدامها. ويتبع بلدنا أيضاً نهج "الدورة المغلقة": استخلاص المكونات المفيدة من الوقود المستهلك لتصنيع مجمعات وقود جديدة.
** براميل نقل الوقود المستهلك المنتجة محليًا جاهزة لكسر الاحتكار الأجنبي: النموذج الأولي يجتاز اختبارات القبول وهو جاهز للإنتاج الضخم**
**سؤال يستحق التأمل**
وبينما أكتب هذا، خطرت في ذهني فكرة مفادها أن الطلب العالمي على الوقود النووي الجديد يبلغ عشرات الآلاف من الأطنان سنوياً؛ ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالمكونات الأساسية-مثل-أنابيب سبائك الزركونيوم عالية الدقة و-شبكات المباعدة عالية الأداء-فإن عددًا قليلًا فقط من الدول تمتلك القدرة على تصنيعها.
على مدى السنوات القليلة الماضية، تطورت قدراتنا المحلية بسرعة؛ لقد انتقلنا من الاعتماد الكامل على الواردات إلى القدرة على تصنيع غالبية هذه المكونات بأنفسنا. ومع ذلك، بالنسبة لدرجات معينة من سبائك الزركونيوم-وكذلك أنواع معينة من معدات الفحص-لا نزال نجد أنفسنا بحاجة إلى شرائها من الخارج.
كنت أعتقد دائماً أن العامل الحاسم للنجاح في مجال تصنيع الوقود النووي هو الأساس الذي تقوم عليه الدولة في الصناعات الأساسية. وبدون تقنيات تعدين المساحيق المتفوقة، لا يمكن رفع جودة كريات الوقود؛ وبدون إمكانيات المعالجة الآلية العالية الدقة-، لا يمكن لشبكات تحديد المواقع أن تفي بالمعايير المطلوبة؛ وبدون نظام صارم لإدارة الجودة، لا يمكن حتى الموافقة على تركيب المكونات في مفاعل نووي.
وفي نهاية المطاف، لا تكمن القدرة التنافسية الأساسية للتصنيع المتقدم في القدرة على إنتاج مكون محدد فحسب، بل في القدرة على دمج السلسلة الصناعية بالكامل بشكل كامل وضمان تشغيلها المستقر والموثوق.
