燃料棒里的“強國夢”：中國核燃料產業全面突圍

　　4月14日，四川宜賓。中核建中核燃料元件有限公司的燃料棒生產線上，機械手正靈巧地抓起一根根鋯合金包殼管，將二氧化鈾芯塊精準填入，再如穿針引線般穿過格架骨架。伴隨清脆的卡扣聲，一組成熟的核燃料組件雛形初現。

　　這看似平靜的制造場景背后，是一場歷時十六年、從圖紙到堆內驗證的艱難攻關。2010年以前，除秦山一期外，我國尚無自主核電燃料品牌；“華龍一號”走出國門時，曾因燃料組件受制于人。如今，CF3系列燃料組件技術指標全面達到國際先進，N36鋯合金打破國外壟斷。從西南腹地到關中平原，中國工業報記者走進研發、制造與材料一線，試圖還原這條“中國芯”的突圍之路。

　　“經過幾代人接續攻堅，我國成功構建起核燃料全鏈條自主研發與產業體系，CF系列燃料組件實現規模化應用，N36鋯合金打破國外壟斷，為華龍一號“走出去”和國內核電安全發展提供了堅實保障。”中核集團首席科學家，CF燃料總設計師焦擁軍接受中國工業報記者采訪時表示。

　　核燃料組件的16年研發攻關

　　十六年，足以讓一座核電站完成從奠基到商運的全周期，但對核燃料組件的研發而言，卻是一場從圖紙到堆內驗證的漫長跋涉。

　　“核燃料組件是反應堆的能量之源，也是核電產業鏈上最核心的‘卡脖子’環節。”焦擁軍表示，核燃料組件研發涉及結構設計、原材料、制備、堆外試驗、堆內輻照考驗及輻照后檢查等完整研發體系，技術要求高、研發難度大、周期長，是真正的戰略技術高地。

　　這一背景下，中核集團于2010年啟動了CF系列核燃料組件自主研發重大科技專項，由中國核動力研究設計院牽頭，整合全產業鏈力量。

　　研發之路并非一蹴而就。CF系列燃料組件的發展經歷了清晰的代際演進。中國工業報記者獲悉，CF2是首款自主品牌燃料組件，2013年，CF2先導組件入堆，邁出了自主燃料從實驗室到反應堆的第一步。

　　真正讓行業振奮的是CF3的突破。CF3先導組件于2014年入堆，2019年完成輻照考驗。CF3擁有完全自主知識產權，技術指標全面達到國際先進水平，部分指標甚至實現國際領先。

　　焦擁軍表示，CF系列燃料關鍵技術取得突破主要表現在六個方面：

　　第一，在大型先進壓水堆燃料組件研發供應體系上，創建了先進完整的核電燃料設計-材料-制造-試驗-考驗-檢查研發體系，打造了立足國內的原材料和零部件保障供應體系。

　　第二，在國際先進高性能燃料組件分析技術上，打破國外專利壁壘，實現燃料組件結構自主創新設計，開發了工程化與精細化結合的核電燃料設計軟件及分析技術。

　　第三，完成了國內首個先進高性能鋯合金研發。由中國核動力研究設計院牽頭研制了國內首個完全自主知識產權的N36鋯合金，實現了規模應用；牽引了國內先進高性能鋯合金研發，建立自主產業鏈，解決了原材料供應依賴進口的問題；打破了國外技術壟斷，實現了核心原材料自主可控。

　　第四，國內首次構建完整的大型燃料組件堆外試驗驗證技術，突破了25項關鍵試驗技術，涉及過濾試驗、落棒試驗、耐久性試驗等。

　　第五，開創了國內核電燃料組件商用堆輻照考驗先河，系統完成燃料組件入商用堆考驗安全評審，實現了在商用壓水堆上進行燃料組件輻照考驗。

　　第六，在國內首次建立燃料組件輻照后檢查技術。具體看，完成了國內首次在商用電站現場較全面地開展燃料組件的池邊檢查工作，建立了系統全面的輻照后熱室檢查技術體系。

　　“CF系列燃料關鍵技術指標全面突破，性能達到國際先進水平。其中，6項指標國際領先，3項指標國際先進。這意味著中國自主核燃料技術已經站到了世界前列。”焦擁軍說。

　　資料顯示，CF系列燃料組件兩次入選“中國十大核科技進展”。科技成果上，獲得4項省部級科技進步一等獎，中國核能行業協會科技進步一等獎，3項中國專利優秀獎等。質量管理成果上，獲得我國首個國際質量促進可持續發展獎，2項國際質量管理小組金獎。

　　“從設計到材料，從試驗到考驗，從檢查到應用，我們建立了完整的研發體系，這是CF系列能夠實現突破的根本保障。”焦擁軍坦言，“CF燃料組件打破了國外技術壟斷，解決核電燃料‘卡脖子’問題，實現了我國核燃料發展史上‘里程碑’式跨越，對我國‘華龍一號’核電技術出口及能源供應安全具有重要戰略意義。”

　　“核電糧倉”的全堆芯供貨

　　西南腹地、四川宜賓。走進中核建中核燃料元件有限公司（以下簡稱“中核建中”）的生產廠房，一派火熱而有序的景象撲面而來。

　　在燃料棒生產線上，一根根鋯合金包殼管內部精準裝入二氧化鈾芯塊，轉眼間變成沉甸甸的燃料棒。不遠處，工人正將格架、導向管和管座焊接成堅實筆直的組件骨架。最緊張的是“拉棒”工序——機械手靈巧地抓起燃料棒，一根根穿過骨架的格架，像穿針引線般精準到位，伴隨清脆的卡扣聲，組件雛形初現。

　　組裝好的核燃料組件隨即被推上檢查儀，精密傳感器實現組件尺寸的精準測量，任何瑕疵都逃不過它的“火眼金睛”。最終，合格成品被穩穩送入立體組件庫，電子屏幕上實時閃爍入庫位置、編號、發往地等信息，實現全流程可視化管控。一組組整裝待發的核燃料組件，即將從這里啟程，奔赴國內外各大核電站。

　　1965年建廠，扎根四川宜賓61年，中核建中見證了中國核燃料產業的整個發展歷程。中核建中核燃料元件有限公司副總經理那保國向中國工業報記者介紹，中核建中已成為亞洲最大的壓水堆核燃料元件制造基地，累計為50余臺核電機組提供核燃料組件，總產量突破30000組，被譽為“核電糧倉”。

　　中核建中具備全堆芯供貨能力——不僅包括核燃料組件，還涵蓋控制棒組件、一次中子源組件、二次中子源組件、阻流塞組件等全套產品，并向關鍵零部件產業鏈延伸布局。

　　“不同堆型的核燃料組件，質量標準和技術側重點各不相同。”那保國說，“我們建立了完善的質量體系，通過分級管理來確保質量管控精準適配。”

　　“十四五”期間，我國每年平均核準9臺核電機組，核電進入批量化建設新階段。黨的二十屆四中全會明確提出“積極安全有序發展核電”，核燃料需求進入高位穩定階段。

　　面對核電發展的廣闊前景，中核建中加速構建“一廠三區”協同高質量發展格局。公司正全面推進數字化轉型，以核燃料元件制造為中心，集成ERP、MES、LIMS等系統，確保供應、生產、質量、工藝、設備、能源、安全環保的全方位受控。

　　鋯合金包殼材料的“自主創新之路”

　　核燃料組件是由多個燃料棒按特定排列組裝而成的堆內釋熱結構單元，而每根燃料棒的核心則是由鋯合金制成的?包殼管?，二者如“骨架”與“皮膚”的關系?。?包殼管密封著二氧化鈾芯塊，其性能直接決定了燃料組件的安全性、可靠性和使用壽命，構成了防止放射性物質外泄的第一道安全屏障。

　　?當前，主流三代壓水堆廣泛采用Zr-Nb、Zr-Sn-Nb系第三代鋯合金，如法國M5、中國N36。“2018年，我們成功產出國內首批自主知識產權N36鋯合金產品。從技術突破到產業化，我們僅用了13個月。”西安西部新鋯科技股份有限公司（以下簡稱“西部新鋯”）總經理、黨委副書記周軍向中國工業報記者表示。

　　西部新鋯，2013年在西安經濟技術開發區涇渭新城正式成立，由中國原子能工業有限公司（第一大股東）、西北有色金屬研究院等機構共同發起，創新性地引入了科技人員骨干持股。

　　這13個月的背后，是長達數十年的技術積累。西安西部新鋯科技股份有限公司副總經理李宇力介紹，N36屬于鋯-錫-鐵合金體系，通過優化錫、鐵元素配比，顯著提升了材料的耐腐蝕性能和耐輻照性能。而實現這一目標的關鍵，在于攻克了一系列生產工藝難題。

　　在熔煉環節，N36合金中不同元素的熔點差異較大，容易導致成分分布不均。西部新鋯采用預制合金、熔速控制、三次真空自耗熔煉等工藝技術，成功解決了工業化鑄錠熔點大差異合金元素的均勻化難題，達到國際先進水平。

　　在擠壓環節，公司采用45MN臥式雙動正向擠壓機，實現了低溫大變形高精度擠壓，管坯直徑可精確控制在76mm。“每一根管材都有激光打標的條形碼，全流程可追溯至原材料批次及操作人員，這在核級材料生產中至關重要。”李宇力說。

　　另據周軍透露，核級鋯材加工工藝技術不僅用于制備核燃料包殼管，未來還將拓展至航空航天、醫用植入件等領域。相關材料已應用于航空高端鈦合金型材，質量控制標準與航空領域嚴格一致。

　　“核安全是絕對安全，我國的自主品牌鋯合金制造質量標準超出國際水平。掌握鋯合金自主制造技術，是連接燃料組件設計要求和堆內運行數據反饋的關鍵橋梁。它能將堆內應用反饋轉化為實證經驗，進而持續反哺和優化設計。這正是自主化的核心價值所在。”周軍強調。（記者 余娜）

　　轉自：中國工業報

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