Khi mọi người nghĩ đến các nhà máy điện hạt nhân, suy nghĩ đầu tiên của họ thường hướng đến những công trình kiến trúc đồ sộ như bình chứa, bình áp lực của lò phản ứng và máy tạo hơi nước. Tuy nhiên, những thành phần thực sự quan trọng thực ra lại là những “thanh nhỏ” khiêm tốn nằm sâu bên trong lõi lò phản ứng.
Những vật phẩm này được gọi là thanh nhiên liệu hạt nhân. Mỗi thanh chỉ có chiều dài khoảng 3 đến 4 mét-có độ dày tương đương ngón tay người. Tuy nhiên, chỉ một trong những thanh nhỏ này cũng tạo ra đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho một hộ gia đình trung bình trong nhiều thập kỷ.
Nhà máy điện hạt nhân Rostov của Nga bắt đầu thử nghiệm các tổ hợp nhiên liệu tiên tiến
Nhiên liệu hạt nhân không thể được sử dụng trực tiếp từ mặt đất
Nhiều người cho rằng nhiên liệu hạt nhân cũng giống như than đá-thứ có thể được đào lên khỏi lòng đất và đốt cháy ngay lập tức. Đây hoàn toàn không phải là trường hợp.
Quặng uranium tự nhiên chủ yếu chứa hai đồng vị: Uranium-238 và Uranium-235. Đồng vị có khả năng phân hạch hạt nhân là Uranium-235; tuy nhiên, nó chỉ chiếm ít hơn 1% uranium tự nhiên. Phần còn lại bao gồm toàn bộ Uranium-238, không thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu.
Nó giống như muốn ăn hạt hướng dương: bạn có thể có cả một túi hạt, nhưng chỉ một số ít chứa hạt ăn được, trong khi phần còn lại chỉ là vỏ.
Do đó, sau khi quặng uranium được khai thác từ mỏ, nó phải trải qua một loạt quy trình phức tạp: nghiền, nghiền, lọc, chiết xuất, kết tủa, làm giàu, v.v.-không có quy trình nào là đơn giản. Đặc biệt, giai đoạn làm giàu đòi hỏi phải sử dụng-máy ly tâm tốc độ cao để tách Uranium-235 khỏi Uranium-238-hai chất gần như giống nhau về mặt vật lý. Đây là một công nghệ phức tạp mà chỉ một số ít quốc gia trên thế giới hoàn toàn làm chủ được.
Ngành công nghiệp Uranium của Trung Quốc đạt được bước khởi đầu mạnh mẽ cho các sáng kiến quan trọng
Nhiên liệu cho lò phản ứng nước điều áp giống "Bút chì năng lượng"
Hiện nay, phần lớn các nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới đều sử dụng Lò phản ứng nước điều áp (PWR). Nhiên liệu hạt nhân chính được sử dụng trong các lò phản ứng này là uranium dioxide.
Uranium dioxide là một vật liệu gốm sứ. Nó được ép thành những viên hình trụ nhỏ-mỗi viên có kích thước gần bằng một viên thuốc, có đường kính khoảng 1 cm và chiều cao hơi vượt quá 1 cm. Những xi lanh nhỏ này được gọi là "viên" nhiên liệu hạt nhân.
Phương pháp và quy trình điều chế Uranium Dioxide
Những viên này sau đó được nạp vào một ống kim loại thon dài. Ống này không được làm bằng kim loại thông thường mà được làm bằng hợp kim zirconium. Hợp kim zirconium sở hữu một đặc tính đặc biệt đáng chú ý: nó hấp thụ rất ít neutron. Điều cần thiết là neutron phải đi qua vật liệu ống với độ hấp thụ tối thiểu để chúng có thể tấn công các nguyên tử Uranium-235, từ đó duy trì phản ứng phân hạch hạt nhân. Nếu thay vào đó, một vật liệu khác-có khả năng hấp thụ neutron mạnh-được sử dụng thì lò phản ứng sẽ không thể hoạt động.
Trên thực tế, thành của các ống hợp kim zirconium này chỉ dày vài phần mười milimet{0}}mỏng hơn so với thẻ ngân hàng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, chúng phải chịu được các điều kiện khắc nghiệt bên trong lò phản ứng: nhiệt độ vượt quá 300 độ, áp suất vượt quá 100 atm và sự bắn phá neutron lâu dài, không ngừng nghỉ. Quá trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác phi thường đến mức ở Trung Quốc, số lượng doanh nghiệp có khả năng thực hiện nó có thể đếm được trên đầu ngón tay.
Một thanh nhiên liệu bao gồm hàng trăm viên nhiên liệu xếp chồng lên nhau.
Quá trình xếp hàng giống như việc xâu kẹo trái cây vào xiên.
Đầu tiên, các viên uranium dioxide được đưa từng viên một vào các ống hợp kim zirconium; một ống duy nhất có thể chứa khoảng 300 viên. Các viên không thể được tiếp xúc trực tiếp với nhau; giữa chúng phải chừa một khoảng trống nhỏ vì các viên sẽ nở ra trong phản ứng hạt nhân. Sau đó, các đầu của ống được bịt kín bằng nút cuối thông qua hàn và bên trong được lấp đầy bằng khí heli. Helium có tính dẫn nhiệt tuyệt vời, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền nhiệt do các viên nén tạo ra từ bên trong ống ra môi trường bên ngoài.
Theo cách này, một thanh nhiên liệu duy nhất được hoàn thành.
Tuy nhiên, lò phản ứng hạt nhân không chỉ cần một hoặc hai thanh nhiên liệu{0}}thậm chí là một hoặc hai trăm thanh. Lấy Lò phản ứng nước điều áp (PWR) loại triệu-kilowatt{3}}thông thường trong nước làm ví dụ, lõi lò phản ứng phải chứa từ 40.000 đến 50.000 thanh nhiên liệu.
Về mặt logic, không thể chèn 40.000 đến 50.000 thanh riêng lẻ; phương pháp như vậy sẽ tốn quá nhiều thời gian-và sẽ cản trở việc cố định cấu trúc thích hợp. Do đó, trong thực tế kỹ thuật, những thanh này được lắp ráp thành “cụm nhiên liệu”.
Cụm nhiên liệu thường có dạng sau: một bó gồm hơn 200 thanh nhiên liệu được liên kết với nhau-kết hợp các tấm đầu trên và đầu dưới cũng như các lưới đệm-để tạo thành một bó thẳng, gọn gàng. Lưới đệm là thành phần đặc biệt quan trọng; họ neo chắc chắn hơn 200 thanh vào các vị trí được chỉ định, chính xác trong khi vẫn duy trì những khoảng trống nhỏ giữa các thanh để đảm bảo dòng nước làm mát không bị cản trở.
Một lõi lò phản ứng thường chứa hơn 150 cụm nhiên liệu như vậy.
Nghiên cứu và phân tích mô phỏng sự mài mòn trong cụm nhiên liệu
Sản xuất có độ chính xác ngang bằng với tiêu chuẩn hàng không vũ trụ
Nhiều người cho rằng việc chế tạo nhiên liệu hạt nhân không gì khác hơn là gia công và lắp ráp đơn giản; tuy nhiên, trên thực tế, yêu cầu về độ chính xác lại rất cao.
Ví dụ, hãy xem xét các lưới đệm: chúng có hàng nghìn lò xo và phần nhô ra, dung sai kích thước của mỗi phần trong số đó phải được kiểm soát trong phạm vi độ dày của một sợi tóc người. Nếu nó chỉ lệch một chút thì lực đỡ trên các thanh nhiên liệu sẽ không đồng đều; trong quá trình vận hành lâu dài,-điều này có thể dẫn đến biến dạng và rung động.
Sau đó là vấn đề kiểm soát mật độ của viên nhiên liệu. Các viên uranium dioxide phải được ép đến mật độ vừa đủ-nhưng không *quá* đậm đặc. Nếu mật độ quá thấp, hiệu suất phản ứng hạt nhân sẽ bị ảnh hưởng; nếu quá cao sẽ không đủ chỗ để giãn nở khi chiếu xạ, có thể khiến lớp ốp bị nứt. Phạm vi "vừa phải" này cực kỳ hẹp, đòi hỏi các quy trình sản xuất hoàn thiện cao để đảm bảo sản xuất ổn định.
**Dây chuyền sản xuất lắp ráp nhiên liệu lò phản ứng nước áp lực lớn nhất quốc gia của chúng ta: Nơi niềm đam mê của thời đại tuôn trào**
Từ góc độ sản xuất tiên tiến, về bản chất, việc chế tạo nhiên liệu hạt nhân là sự tích hợp-cao cấp của nhiều lĩnh vực. Luyện kim bột, gia công chính xác, hàn chuyên dụng,-thử nghiệm không phá hủy-mỗi giai đoạn riêng lẻ đều thể hiện đỉnh cao của sự xuất sắc về công nghệ.
** Nhiên liệu đã sử dụng đi đâu?**
Nhiên liệu hạt nhân thường tồn tại trong lò phản ứng từ ba đến năm chu kỳ, mỗi chu kỳ kéo dài khoảng mười tám tháng. Trong giai đoạn này, Uranium{2}}235 được tiêu thụ dần dần, trong khi các hạt nhân mới-chẳng hạn như Plutonium-239-được tạo ra đồng thời. Một khi tiềm năng năng lượng đã cạn kiệt phần lớn, nhiên liệu này sẽ trở thành thứ được gọi là "nhiên liệu đã qua sử dụng".
Nhiên liệu đã qua sử dụng không phải là lãng phí. Nó vẫn chứa Uranium-235 chưa đốt hết cũng như Plutonium-239 mới được tạo ra - cả hai đều là tài nguyên hạt nhân có giá trị. Trên bình diện quốc tế, một số quốc gia tham gia tái xử lý để thu hồi và tái sử dụng các vật liệu này. Nước ta cũng đang theo đuổi cách tiếp cận “chu trình khép kín”: chiết xuất các thành phần hữu ích từ nhiên liệu đã qua sử dụng để chế tạo các tổ hợp nhiên liệu mới.
**Các thùng vận chuyển nhiên liệu đã qua sử dụng được sản xuất trong nước nhằm phá vỡ sự độc quyền của nước ngoài: Nguyên mẫu đã vượt qua quá trình thử nghiệm chấp nhận và sẵn sàng để sản xuất hàng loạt**
**Một câu hỏi đáng suy ngẫm**
Khi viết bài này, tôi chợt nảy ra một ý nghĩ: nhu cầu toàn cầu về nhiên liệu hạt nhân mới lên tới hàng chục nghìn tấn mỗi năm; tuy nhiên, khi nói đến các thành phần cốt lõi-chẳng hạn như-ống hợp kim zirconi có độ chính xác cao và-lưới đệm hiệu suất cao-chỉ một số ít quốc gia có khả năng sản xuất chúng.
Trong vài năm qua, năng lực trong nước của chúng ta đã tiến bộ nhanh chóng; chúng tôi đã chuyển từ hoàn toàn phụ thuộc vào nhập khẩu sang có thể tự sản xuất phần lớn các bộ phận này. Tuy nhiên, đối với một số loại hợp kim zirconium cụ thể-cũng như một số loại thiết bị kiểm tra nhất định-chúng tôi vẫn thấy mình cần phải mua chúng từ nước ngoài.
Tôi luôn tin rằng, trong lĩnh vực chế tạo nhiên liệu hạt nhân, yếu tố quyết định thành công cuối cùng là nền tảng cơ bản của một quốc gia trong các ngành công nghiệp cơ bản. Nếu không có kỹ thuật luyện kim bột ưu việt thì chất lượng của viên nhiên liệu không thể nâng cao được; không có khả năng gia công có độ chính xác-cao, lưới định vị không thể đáp ứng các tiêu chuẩn bắt buộc; và nếu không có hệ thống quản lý chất lượng nghiêm ngặt, các bộ phận thậm chí không thể được làm sạch để lắp đặt trong lò phản ứng hạt nhân.
Cuối cùng, khả năng cạnh tranh cốt lõi của sản xuất tiên tiến không chỉ nằm ở khả năng sản xuất một bộ phận cụ thể mà còn ở khả năng tích hợp hoàn toàn toàn bộ chuỗi công nghiệp và đảm bảo hoạt động ổn định, đáng tin cậy.
