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核燃料作為核反應堆的能量源泉與第一道安全屏障，是核發(fā)達國家競相爭搶的戰(zhàn)略技術高地，是整個核電產(chǎn)業(yè)鏈封鎖最嚴密的核心技術，具有研發(fā)技術難度高、研制周期長、投入經(jīng)費大的特點。我國核燃料組件市場規(guī)模達200億/年，卻長期被法、美、俄等國技術壟斷，國外燃料組件品牌占比高達98%，扼住了我國核電安全積極發(fā)展的咽喉，限制了自主三代核電技術“走出去”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。為解決核電可持續(xù)發(fā)展和“卡脖子”問題，生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心全面整合三大核電集團優(yōu)勢力量，組建課題研究“國家隊”，開展了長達十余年的自主化燃料組件入堆研究，并在國內(nèi)首次系統(tǒng)開展了自主大型先進壓水堆高性能燃料組件的入堆安全評價工作。構建了涵蓋核安全導則、審評指南、技術標準規(guī)范等的多層級核安全監(jiān)管體系，完成24份樣品管組件、先導棒和先導組件的入堆安全評價，保證了14類（51組 ）燃料組件，16次先導燃料棒和先導燃料組件入堆，完成42個輻照考驗循環(huán)、50余次池邊檢查與熱室檢查，無一自主化燃料發(fā)生破損，堅實支撐了我國自主商用壓水堆燃料組件的快速、安全、創(chuàng)新發(fā)展?！白灾骰剂辖M件入堆標準規(guī)范體系和關鍵技術研究”成果獲評2024年度中國核能行業(yè)協(xié)會科技進步一等獎。

鋯合金是怎樣煉成的

自主化燃料組件的研發(fā)需要解決的首要難題就是燃料棒所用的包殼材料。包殼是裝載核燃料芯體的密封外殼，直徑9.5毫米、管壁厚度不到1毫米、長近4米，是核反應堆的“第一道安全屏障”。包殼材料的性能和品質(zhì)直接關系到核燃料元件的質(zhì)量和安全，若包殼破損或熔化，就可能造成核燃料泄漏和輻射污染擴散，是反應堆最為重要的結構材料。實際上，做包殼用的不是純鋯，而是鋯合金，就是在鋯中添加了很少的其他金屬，而添加的元素種類和含量范圍一直是科學界的難題，合金元素的微小差異就可能引起包殼性能的巨大差異，尤其是輻照后性能差異。這種技術只被世界上少數(shù)幾個國家所掌握。

自主化燃料組件制造

自主化燃料組件堆外性能試驗

“好想試一下，自己做鋯合金！”這是團隊所有人的心聲，他們從仿制國外當時有的鋯合金（ 鋯-2、鋯-4）做起，白天在實驗室做實驗，鉆進電子顯微鏡下的核材料微觀世界里觀察、思索；晚上在家整理分析實驗數(shù)據(jù)，研究國內(nèi)外各種技術資料。他們開展了不同比例配方和不同冶煉時間、溫場、電場、磁場條件下的系列試驗，對得到的試驗樣品的感觀指標、理化指標進行仔細分析研究，歷經(jīng)數(shù)個春秋，他們從眾多鋯合金體系中選出了40多種成分配方，并逐一進行分析篩選、熔煉和測試，篩選出25種候選合金，從中確定了兩種新型鋯合金，并成功實現(xiàn)了中等規(guī)模的試制生產(chǎn)。

成立攻關團隊，找準結構創(chuàng)新設計突破口

結構設計是燃料組件研發(fā)過程中最先行的環(huán)節(jié)之一。結構設計出現(xiàn)問題，將影響到后續(xù)的燃料組件性能分析與預測、燃料組件制造、堆外性能試驗以及堆內(nèi)輻照考驗等各個環(huán)節(jié)，甚至影響整個研發(fā)任務的成敗。

為解決燃料組件結構創(chuàng)新設計難題，突破國外知識產(chǎn)權封鎖和技轉協(xié)議限制，他們成立了燃料組件結構設計攻關團隊，夜以繼日反復論證，尋找結構設計的突破口，為創(chuàng)新設計奠定基礎。一方面，快速梳理國外核發(fā)達國家在我國申請的與燃料組件結構設計相關的專利60余份，明確專利的限制范圍，結合我國壓水堆燃料組件設計和制造技術現(xiàn)狀，提出自主燃料組件的發(fā)展方案。另一方面，根據(jù)燃料組件燃耗、熱工水力和抗震等技術要求，結合燃料組件主要零部件功能的分解，找準結構創(chuàng)新的突破口，如導向管采用“管中管”結構形式、定位構架采用防勾掛設計等。辦公樓道常常燈火通明，攻關團隊成員加班加點，積累形成了大量的一手資料。

自主化燃料組件入商用堆輻照考驗

匯智聚才，創(chuàng)新創(chuàng)造

自主化燃料組件如何安全、高效、創(chuàng)新發(fā)展，面對自主化燃料組件入堆輻照風險控制難、標準規(guī)范體系不完善、堆內(nèi)應用場景重構難、堆外試驗技術有短板、多重受限輻照檢查難、快速安全評價是空白的多個技術難題，團隊認為必須構建自主燃料組件研發(fā)及應用全流程標準化路徑，提升自主燃料組件安全評價關鍵技術能力，填補大型商用壓水堆燃料組件自主研制空白。

團隊在國家相關部委的大力支持下，依托國家科學技術部重點研發(fā)計劃、國防科技工業(yè)局核能開發(fā)項目、國家能源局科技重大專項、生態(tài)環(huán)境部國家核安全局科研課題，針對5項國家級科研項目、10余項集團級科研項目，聯(lián)合十余家單位開展了深入研究，首次構建了一套完整的、應用范圍最廣、包容性最強的壓水堆燃料組件入堆標準規(guī)范體系，為我國自主化燃料組件安全入堆提供了法規(guī)標準依據(jù)。

我國已有的核安全法規(guī)體系中已經(jīng)包含了對壓水堆核動力廠燃料組件的原則性要求，但缺乏對燃料組件開發(fā)和工程應用開展核安全審評的具體指導文件。團隊對自主化燃料組件研發(fā)過程中的材料性能試驗、組件及零部件試驗、燃料性能設計基準和驗收準則的建立、燃料性能分析評價、輻照后檢查等上百項技術專題，在我國相關法規(guī)標準體系缺失的情況下，開展了大量的調(diào)研、分析、實踐和技術研究工作。經(jīng)過十多年的技術審評和研究，完成相關技術專題報告共計30余份，并逐步形成了一套指導自主化商用壓水堆燃料組件入堆輻照及應用的研究成果。研究確定了11項包殼材料堆外試驗、6項導向管和格架材料堆外試驗、20項燃料組件零部件及整體性能試驗、11項輻照后池邊檢查項目、19項輻照后熱室檢查項目、20項設計基準、28項設計特征說明以及受影響的接口安全評價內(nèi)容。編制完成《壓水堆核動力廠核燃料組件審評指南》，以規(guī)范和指導我國壓水堆核動力廠燃料組件在目標核動力廠開展先導輻照考驗的燃料組件研發(fā)、工程應用和核安全審評工作。該指南在國內(nèi)首次全面、系統(tǒng)地總結了燃料組件的法規(guī)標準要求，確立了自主化燃料組件先導考驗和批量應用的基準，為設計和審評提供了針對性的技術指導，創(chuàng)建了一套統(tǒng)一、規(guī)范的燃料組件安全評價體系，為我國自主研發(fā)核燃料組件入堆輻照及工程應用提供了有效的法規(guī)依據(jù)。針對具體問題，如試驗方法、評價方法等，需要制定更為具體的標準規(guī)范文件，如行業(yè)標準、企業(yè)標準、技術專題報告等，團隊在國家重點研發(fā)計劃、核能開發(fā)項目、國家科技重大專項等項目的支持下，編制完成了壓水堆核電廠燃料組件臨界熱流密度實驗要求、壓水堆核電廠燃料組件格架力學性能試驗方法等一系列標準規(guī)范文件，用以指導自主化燃料組件入堆輻照及工程應用的具體實施。

核電目前已成為我國能源結構轉型、實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標最重要的基荷能源。我國核電機組數(shù)快速增長，開展自主化燃料組件研制及應用是解決“卡脖子”風險、確保我國核燃料供應鏈自主可控的必經(jīng)之路。項目團隊建立了自主化燃料組件入堆標準規(guī)范體系，突破了燃料組件堆內(nèi)服役性能—堆外試驗驗證體系映射、燃料組件快速入堆安全評價等關鍵技術，構建了自主化燃料組件研發(fā)及應用全流程標準化路徑。在本項目研究成果支撐下，無一自主化燃料發(fā)生破損，既保證了入堆輻照核安全，又促進了自主化燃料組件高效研發(fā)，為支撐自主三代核電“走出去”、保障核安全和生態(tài)環(huán)境奠定了堅實的技術基礎，社會效益突出。項目成果可推廣應用到全行業(yè)內(nèi)關于自主化燃料組件堆內(nèi)輻照考驗及批量應用的各個環(huán)節(jié)（ 安全審評、材料研發(fā)、堆外試驗、堆內(nèi)考驗、輻照后檢查、計算分析評價等 ），并用于指導國內(nèi)其他新型燃料組件的入堆安全評價。項目成果已逐步成為國內(nèi)核燃料研發(fā)的標桿工程，在商用壓水堆燃料研發(fā)領域形成了良好的示范效應，并引領了其他新型反應堆燃料元件標準規(guī)范體系的建立。