Wanneer mensen aan kerncentrales denken, gaan hun eerste gedachten vaak uit naar massieve constructies zoals insluitingsvaten, reactordrukvaten en stoomgeneratoren. De werkelijk cruciale componenten zijn echter eigenlijk de bescheiden ‘staafjes’ die zich diep in de reactorkern bevinden.
Deze voorwerpen staan bekend als splijtstofstaven. Elke staaf is slechts zo'n drie tot vier meter lang,-ongeveer de dikte van een menselijke vinger. Toch genereert één van deze onopvallende staafjes genoeg energie om een gemiddeld huishouden tientallen jaren van stroom te voorzien.
De Russische kerncentrale van Rostov begint met het testen van geavanceerde brandstofassemblages
Kernbrandstof kan niet rechtstreeks uit de grond worden gebruikt
Veel mensen gaan ervan uit dat kernbrandstof net als steenkool is-iets dat uit de aarde kan worden gegraven en onmiddellijk kan worden verbrand. Dit is absoluut niet het geval.
Natuurlijk uraniumerts bevat hoofdzakelijk twee isotopen: uranium-238 en uranium-235. De isotoop die kernsplijting kan ondergaan is uranium-235; het is echter goed voor minder dan 1% van het natuurlijke uranium. De rest bestaat volledig uit uranium-238, dat niet direct als brandstof kan worden gebruikt.
Het lijkt veel op het eten van zonnebloempitten: je hebt misschien een hele zak zaden, maar slechts een paar bevatten eetbare pitten, terwijl de rest alleen maar schelpen zijn.
Als het uraniumerts eenmaal uit de mijn is gewonnen, moet het dus een complexe reeks processen ondergaan: breken, malen, uitlogen, extractie, neerslaan, verrijking en meer.-Geen van deze zijn eenvoudige taken. Vooral de verrijkingsfase vereist het gebruik van snelle centrifuges om uranium-235 te scheiden van uranium-238, twee stoffen die fysiek vrijwel identiek zijn. Dit is een geavanceerde technologie die slechts een handvol landen wereldwijd volledig onder de knie heeft.
De Chinese uraniumindustrie maakt een sterke start van belangrijke initiatieven
Brandstof voor drukwaterreactoren lijkt op "Energiepotloden"
Momenteel maakt de overgrote meerderheid van de kerncentrales wereldwijd gebruik van Pressurized Water Reactors (PWR's). De primaire splijtstof die in deze reactoren wordt gebruikt, is uraniumdioxide.
Uraniumdioxide is een keramisch materiaal. Het wordt tot kleine cilindrische balletjes geperst-elk ongeveer zo groot als een medicijnpil, met een diameter van ongeveer één centimeter en een hoogte van iets meer dan één centimeter. Deze kleine cilinders staan bekend als nucleaire brandstofpellets.
Een methode en proces voor de bereiding van uraniumdioxide
Deze pellets worden vervolgens in een slanke, langwerpige metalen buis geladen. Deze buis is niet gemaakt van gewoon metaal, maar van een zirkoniumlegering. De zirkoniumlegering bezit een bijzonder opmerkelijke eigenschap: ze absorbeert zeer weinig neutronen. Het is essentieel dat neutronen met minimale absorptie door het buismateriaal gaan, zodat ze de uranium-235 atomen kunnen treffen en zo de kernsplijtingsreactie in stand kunnen houden. Als in plaats daarvan een ander materiaal-met een sterk vermogen tot neutronenabsorptie zou worden gebruikt, zou de reactor niet kunnen functioneren.
De wanden van deze buizen van zirkoniumlegering zijn slechts een paar tienden van een millimeter dik-dunner dan die van een standaard bankpas. Toch moeten ze bestand zijn tegen de extreme omstandigheden in de reactor: temperaturen van meer dan 300 graden, drukken van meer dan 100 atmosfeer en het meedogenloze, langdurige bombardement van neutronen. Het productieproces vereist zo'n buitengewone precisie dat binnen China het aantal ondernemingen dat dit proces kan uitvoeren op één hand kan worden geteld.
Een enkele brandstofstaaf bestaat uit honderden brandstofpellets die op elkaar zijn gestapeld.
Het laadproces lijkt op het rijgen van gekonfijt fruit aan een spies.
Eerst worden uraniumdioxidepellets één voor één in de buizen van de zirkoniumlegering gestoken; een enkele buis biedt plaats aan ongeveer 300 pellets. De pellets mogen niet in direct contact met elkaar worden geplaatst; er moet een kleine opening tussen zitten, omdat de pellets tijdens de kernreactie zullen uitzetten. De uiteinden van de buis worden vervolgens door middel van lassen hermetisch afgesloten met eindpluggen, en het interieur wordt opgevuld met heliumgas. Helium bezit een uitstekende thermische geleidbaarheid, waardoor de overdracht van door de pellets gegenereerde warmte van de binnenkant van de buis naar de buitenomgeving wordt vergemakkelijkt.
Op deze manier wordt een enkele brandstofstaaf voltooid.
Voor een kernreactor zijn echter niet slechts één of twee splijtstofstaven nodig-en zelfs niet één of tweehonderd. Als we een typische binnenlandse drukwaterreactor (PWR) van een miljoen{2}}kilowatt-klasse als voorbeeld nemen, moet de reactorkern tussen de 40.000 en 50.000 brandstofstaven bevatten.
Het is logistiek onmogelijk om 40.000 tot 50.000 staven afzonderlijk in te brengen; een dergelijke methode zou veel te tijdrovend zijn- en een goede structurele fixatie uitsluiten. Bijgevolg worden deze staven in de technische praktijk samengevoegd tot "brandstofassemblages".
Een brandstofsamenstel heeft doorgaans de volgende vorm: een bundel van meer dan 200 brandstofstaven wordt samengebonden-met bovenste en onderste eindplaten en afstandsroosters-om een nette, rechtlijnige bundel te vormen. De afstandsroosters zijn bijzonder kritische componenten; ze verankeren de meer dan 200 staven stevig in hun precieze, aangewezen posities, terwijl ze kleine openingen tussen de staven behouden om de onbelemmerde stroom koelwater te garanderen.
Eén enkele reactorkern biedt doorgaans plaats aan meer dan 150 van dergelijke splijtstofassemblages.
Onderzoek en simulatieanalyse van wrijvingsslijtage in brandstofassemblages
Productieprecisie vergelijkbaar met lucht- en ruimtevaartnormen
Veel mensen gaan ervan uit dat de fabricage van splijtstof niets anders inhoudt dan eenvoudige machinale bewerking en montage; in werkelijkheid zijn de nauwkeurigheidseisen echter verbluffend hoog.
Denk bijvoorbeeld aan de afstandsroosters: deze zijn voorzien van duizenden veren en uitsteeksels, waarvan de maattolerantie moet worden gecontroleerd tot op de grootte van de dikte van een mensenhaar. Als het maar een klein beetje afwijkend was geweest, zouden de steunkrachten op de brandstofstaven ongelijkmatig zijn geweest; tijdens langdurig gebruik-had dit tot vervorming en trillingen kunnen leiden.
Dan is er nog de kwestie van het regelen van de dichtheid van de brandstofpellets. Uraniumdioxidepellets moeten tot een voldoende dichtheid worden geperst-maar niet *te* compact. Als de dichtheid te laag is, lijdt de efficiëntie van de kernreactie; als deze te hoog is, is er onvoldoende ruimte voor uitzetting onder bestraling, waardoor de bekleding kan barsten. Dit "precies goede" assortiment is extreem smal en vereist zeer volwassen productieprocessen om een stabiele productie te garanderen.
**De grootste productielijn van ons land voor brandstofassemblages van drukwaterreactoren: waar de passie van het tijdperk stroomt**
Vanuit het perspectief van geavanceerde productie is de productie van splijtstof in essentie een hoogwaardige integratie van meerdere disciplines. Poedermetallurgie, precisiebewerking, gespecialiseerd lassen, niet-destructief onderzoek-elke afzonderlijke fase vertegenwoordigt het toppunt van technologische uitmuntendheid.
**Waar gaat de verbruikte brandstof naartoe?**
Kernbrandstof blijft doorgaans drie tot vijf cycli in een reactor, waarbij elke cyclus ongeveer achttien maanden duurt. Gedurende deze periode wordt het uranium-235 geleidelijk verbruikt, terwijl tegelijkertijd nieuwe nucliden, zoals plutonium-239, worden gegenereerd. Zodra het energiepotentieel grotendeels is uitgeput, wordt deze brandstof wat bekend staat als 'verbruikte brandstof'.
Verbruikte brandstof is geen afval. Het bevat nog steeds onverbrand uranium-235 en nieuw gegenereerd plutonium-239, die beide waardevolle nucleaire hulpbronnen zijn. Internationaal houden sommige landen zich bezig met opwerking om deze materialen terug te winnen en opnieuw te gebruiken. Ons land streeft ook een ‘gesloten cyclus’-aanpak na: het extraheren van de nuttige componenten uit verbruikte splijtstof om nieuwe splijtstofelementen te vervaardigen.
**In eigen land geproduceerde transportvaten voor verbruikte brandstof zullen het buitenlandse monopolie doorbreken: prototype doorstaat acceptatietests en is klaar voor massaproductie**
**Een vraag die de moeite waard is om over na te denken**
Terwijl ik dit schrijf, komt er een gedachte bij me op: de mondiale vraag naar nieuwe nucleaire brandstof bedraagt jaarlijks tienduizenden tonnen; toch beschikt slechts een handvol landen over de mogelijkheid om kerncomponenten-zoals hoge-precieze buizen van zirkoniumlegeringen en hoogwaardige- afstandsroosters- te vervaardigen.
De afgelopen jaren zijn onze binnenlandse capaciteiten snel vooruitgegaan; we zijn overgegaan van volledig afhankelijk zijn van import naar het feit dat we het merendeel van deze componenten zelf kunnen vervaardigen. Niettemin moeten we voor bepaalde specifieke kwaliteiten zirkoniumlegeringen-en ook voor bepaalde typen inspectieapparatuur- deze nog steeds uit het buitenland aanschaffen.
Ik heb altijd geloofd dat, op het gebied van de productie van splijtstof, de uiteindelijke bepalende factor voor succes de onderliggende basis van een land in basisindustrieën is. Zonder superieure poedermetallurgietechnieken kan de kwaliteit van brandstofpellets niet worden verhoogd; zonder hoge-precieze bewerkingsmogelijkheden kunnen de positioneringsrasters niet aan de vereiste normen voldoen; en zonder een rigoureus kwaliteitsmanagementsysteem kunnen de componenten niet eens worden vrijgegeven voor installatie in een kernreactor.
Uiteindelijk ligt het kernconcurrentievermogen van geavanceerde productie niet alleen in het vermogen om een specifiek onderdeel te produceren, maar eerder in het vermogen om de gehele industriële keten volledig te integreren en de stabiele, betrouwbare werking ervan te garanderen.
