原子力発電所について考えるとき、人々は多くの場合、格納容器、原子炉圧力容器、蒸気発生器などの巨大な構造物を最初に思い浮かべます。しかし、本当に重要なコンポーネントは、実際には原子炉炉心の奥深くに位置する控えめな「小さなロッド」です。
これらの品目は核燃料棒として知られています。各棒の長さはわずか約 3 ～ 4 メートルです-およそ人間の指の太さです。しかし、これらの目立たない棒の 1 つで、平均的な家庭に数十年間電力を供給するのに十分なエネルギーが生成されます。
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核燃料は地中から取り出してそのまま使用できない
多くの人は、核燃料は石炭と同じで、地中から掘り出してすぐに燃やすことができるものだと考えています。{0}これは決して事実ではありません。
天然ウラン鉱石には主に 2 つの同位体、ウラン 238 とウラン 235 が含まれています。核分裂を起こすことができる同位体はウラン 235 です。ただし、天然ウランに占める割合は 1% 未満です。残りは完全にウラン 238 で構成されており、燃料として直接使用することはできません。
それはヒマワリの種を食べたいと思うのとよく似ています。袋いっぱいの種を持っているかもしれませんが、食べられる粒が含まれているのはほんの数個だけで、残りは単なる殻です。
したがって、ウラン鉱石が鉱山から抽出されると、破砕、粉砕、浸出、抽出、沈殿、濃縮などの複雑な一連のプロセスを経る必要があり、そのどれもが単純な作業ではありません。{0}特に濃縮段階では、物理的にほぼ同一であるウラン 235 とウラン 238 を分離するために高速遠心分離機を使用する必要があります。-これは、世界中でほんの一握りの国だけが完全に習得している高度な技術です。
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加圧水型原子炉の燃料は「エナジーペンシル」に似ている
現在、世界中の原子力発電所の大多数は加圧水型原子炉 (PWR) を利用しています。これらの原子炉で使用される主な核燃料は二酸化ウランです。
二酸化ウランはセラミック材料です。これは小さな円筒形のペレットに圧縮されます。-直径は約 1 センチメートル、高さはわずかに 1 センチメートルをわずかに超える、薬の丸薬とほぼ同じ大きさです。これらの小さな円筒は核燃料「ペレット」として知られています。
二酸化ウランの製造方法とプロセス
これらのペレットは、細くて長い金属管に充填されます。このチューブは通常の金属ではなく、ジルコニウム合金で作られています。ジルコニウム合金は、中性子をほとんど吸収しないという特に注目すべき特性を持っています。中性子がウラン-235原子に衝突して核分裂反応を維持できるように、吸収を最小限に抑えて管材料を通過することが重要です。別の材料-中性子吸収能力の高い材料を代わりに使用すると、原子炉は機能できなくなります。
これらのジルコニウム合金チューブの壁の厚さは、実際には標準的な銀行カードよりもわずか 10 分の数ミリメートル薄いだけです。{0}}しかし、原子炉内の温度は 300 度を超え、圧力は 100 気圧を超え、容赦なく長期間にわたる中性子の照射などの極限状態に耐える必要があります。-製造プロセスには並外れた精度が要求されるため、中国国内でそれを実行できる企業の数は片手で数えられるほどです。
1 本の燃料棒は、何百もの燃料ペレットが積み重ねられて構成されています。
積み込むプロセスは、砂糖漬けの果物を串に刺すのと似ています。
まず、二酸化ウランペレットを一つずつジルコニウム合金管に挿入します。 1 本のチューブに約 300 個のペレットを収容できます。ペレットを互いに直接接触させて配置することはできません。核反応中にペレットが膨張するため、ペレットの間には小さな隙間を残す必要があります。次に、チューブの端は溶接によってエンドプラグで密閉され、内部はヘリウムガスで埋め戻されます。ヘリウムは優れた熱伝導率を備えており、ペレットによって発生した熱をチューブの内部から外部環境へ伝達しやすくします。
このようにして、１本の燃料棒が完成する。
ただし、原子炉に必要な燃料棒は 1 ～ 2 本だけではなく、{0}}1 ～ 200 本も必要です。一般的な国産の 100 万-キロワット- クラスの加圧水型原子炉 (PWR) を例にとると、炉心には 40,000 ～ 50,000 本の燃料棒を収容する必要があります。
40,000 ～ 50,000 本のロッドを個別に挿入することは論理的に不可能です。このような方法では時間がかかりすぎ、適切な構造固定ができなくなります。{4}}したがって、工学的実践では、これらの燃料棒は「燃料集合体」に組み立てられます。
燃料集合体は通常、次のような形式をとります。200 本を超える燃料棒の束が{1}上部と下部の端板およびスペーサー グリッドを組み込んで-まとめられ、きちんとした直線的な束を形成します。スペーサー グリッドは特に重要なコンポーネントです。 200 本以上のロッドを指定された正確な位置にしっかりと固定し、ロッド間に微細な隙間を維持して冷却水の流れを妨げません。
単一の炉心には通常、150 個を超えるそのような燃料集合体が収容されます。
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航空宇宙規格と同等の製造精度
多くの人は、核燃料の製造には単純な機械加工と組み立てだけが必要であると考えています。しかし、実際には、精度の要件は驚くほど高いものです。
たとえば、スペーサー グリッドについて考えてみましょう。スペーサー グリッドには何千ものバネと突起があり、それぞれの寸法公差は人間の髪の毛の太さの範囲内に制御する必要があります。ほんのわずかにずれていたら、燃料棒にかかる支持力は不均一になっていたでしょう。長期間使用すると、変形や振動が発生する可能性があります。-
次に、燃料ペレットの密度の制御の問題があります。二酸化ウランペレットは、十分な密度に圧縮する必要がありますが、「密度が高すぎない」ようにする必要があります。-密度が低すぎると核反応効率が低下します。高すぎると、照射下で膨張する余地が不十分となり、クラッドに亀裂が生じる可能性があります。この「ちょうどいい」範囲は非常に狭く、安定した生産を確保するには高度に成熟した製造プロセスが必要です。
**時代の情熱が息づく国内最大の加圧水型原子炉燃料集合体の生産ライン**
高度な製造の観点から見ると、核燃料製造は本質的に、複数の分野の高度な統合です。{0}}粉末冶金、精密機械加工、特殊溶接、非破壊検査--のそれぞれの段階は、卓越した技術の頂点を表しています。
**使用済み燃料はどこへ行くのですか?**
核燃料は通常、原子炉内に 3 ～ 5 サイクル存在し、各サイクルは約 18 か月続きます。この期間中、ウラン-235は徐々に消費され、同時にプルトニウム239などの新しい核種が生成されます。潜在的なエネルギーがほとんど使い果たされると、この燃料は「使用済み燃料」として知られるものになります。
使用済み燃料は廃棄物ではありません。そこにはまだ燃えていないウラン-235と新たに生成されたプルトニウム239が含まれており、どちらも貴重な核資源です。国際的には、これらの物質を回収して再利用するための再処理に取り組んでいる国もあります。我が国はまた、使用済み燃料から有用な成分を抽出して新しい燃料集合体を製造する「クローズドサイクル」アプローチを追求している。
**外国独占を打ち破る国産使用済燃料輸送キャスク：プロトタイプは受け入れテストに合格し、量産準備完了**
**熟考する価値のある質問**
これを書きながら、ある考えが頭に浮かびました。新しい核燃料の世界的な需要は年間数万トンに達します。しかし、高精度ジルコニウム合金チューブや高性能スペーサー グリッド{{2}などのコア コンポーネント{{0}{1}}に関しては、それらを製造できる国はほんの一握りの国だけです。
過去数年間で、当社の国内能力は急速に進歩しました。当社は完全に輸入に依存していた状態から、これらのコンポーネントの大部分を自社で製造できるようになりました。それにもかかわらず、特定のグレードのジルコニウム合金-や特定の種類の検査装置-については、依然として海外から調達する必要があります。
私は、核燃料製造の分野において、成功の最終的な決定要因は基礎産業における国家の基礎であると常々信じてきました。優れた粉末冶金技術がなければ、燃料ペレットの品質を向上させることはできません。高精度の機械加工機能がなければ、位置決めグリッドは必要な基準を満たすことができません。-そして、厳格な品質管理システムがなければ、コンポーネントを原子炉に取り付けることさえできません。
結局のところ、高度な製造業の中核となる競争力は、単に特定のコンポーネントを生産する能力にあるのではなく、産業チェーン全体を完全に統合し、その安定した信頼性の高い稼働を保証する能力にあります。
