核燃料龍頭的自動化試水

余娜

秋末冬初，金燦燦的蘆葦隨風搖擺，舞動著專屬西北特色的美景。艷陽高照，灑向賽汗塔拉城中草原深處挺拔的敖包，寒意愈發濃烈。

在距離這片全世界最大的城中草原以北10公里處，占地12平方公里的中核北方核燃料基地機器轟鳴，為越發寒冷的原野帶來些許暖意。

這里，是始建于1958年的北方核燃料大本營——中核北方核燃料元件有限公司（又稱“202廠”）的所在地。它不僅是我國首個核燃料元件和核材料生產科研基地，也是目前國內唯一一家具備CANDU-6型重水堆、重水堆鈷調節棒、AFA3G壓水堆、AP1000壓水堆和高溫氣冷堆5條核電燃料元件生產線的全國核電燃料品種最全的生產企業。

“在保持軍品科研生產的基礎上，中核北方先后建成了重水堆、壓水堆、AP1000和高溫氣冷堆核電燃料元件生產線，形成了軍工核燃料和核電燃料元件多元化的產業格局。” 中核北方核燃料元件有限公司執行董事、總經理馬文軍向《能源》記者介紹。

進入新世紀，202廠大舉進入民用核電燃料元件生產領域，已建和在建的生產線達5條。5條生產線又涵蓋了從“二代加”到三代、四代主要核電技術的燃料元件需求。

在信息化、數字化、智能化飛速發展的今天，我國這一傳統的核燃料元件供應基地也在面臨新的考驗。

自動化提速

進入中核北方廠區前，一座高達18米的廠標雕塑毅然矗立。這一獨特的建筑原型正源于該廠的立足之本——核燃料元件。筆挺直立的壓水堆燃料組件模型屹立中央，重水堆燃料元件棒束纏繞其身，代表著第四代高溫氣冷堆燃料的球狀元件則置于最頂端。

隨后，在每進入一個生產車間，《能源》記者都被要求換上工作人員事先準備好的白大褂、手套、鞋套、安全帽，甚至是護目鏡。“這是為了防止外來人員將雜質或粉塵帶入生產車間，以保證燃料元件的清潔度。” 中核北方核燃料元件有限公司總經理助理、重水堆核燃料元件廠廠長張杰解釋。

“金黃色的ADU（重鈾酸銨）分解還原后變成灰黑色的二氧化鈾粉末，經過壓制成為芯塊生坯。通過生坯上下料自動工作站完成碼垛后，生坯由AGV自動轉運車轉至下個工序，再經過22個小時的燒結，二氧化鈾芯塊便基本成型。之后，通過在線檢測系統進行篩選，并完成烘干、磨削、裝管、端塞焊接等自動化環節，最終形成燃料棒束。”在重水堆廠的化工車間，張杰介紹。

2002年，中核北方建成了我國唯一一條重水堆核電燃料元件生產線，截至目前，已連續為秦山三期兩臺重水堆核電機組提供了燃料棒束14萬只。

在芯塊車間，《能源》記者被外形靚麗的一臺比利時R53及一臺國產芯塊旋轉壓機吸引。粉末裝填、進模具、上下擠壓、生坯、脫模出料，短短一分鐘，這些過程一氣呵成。

“一臺芯塊旋轉壓機每分鐘能壓110個芯塊，大大節省了勞動力，提高了生產效率。”張杰介紹，“2007年，我們便聯合北京一家壓機廠研制生產出了新型的國產壓機，并成功應用于芯塊壓制。”

在控制中心，能夠自動識別、自動探測障礙物、自動搬運燃料芯塊的AGV機器人再次吸引了記者的注意。

整理貨架、識別障礙物、搬運生坯、自動充電，加上稍顯萌態的外形模樣，在旁觀察十余分鐘，記者不禁為眼前這臺AGV機器人憨態可掬、任勞任怨的模樣所駐足。

“AGV機器人，也稱小黃人，是由國內最大的機器人制造商和集成商沈陽新松生產制造，是芯塊制備自動化系統升級后的產物，目前根據使用需求投入使用3臺。后期，在壓水堆車間、高溫堆車間也會相繼投入使用。”在重水堆車間的控制中心，張杰指著屏幕上的實時畫面向記者介紹，“公司的自動化推進策略是由點到面、由易到難。”

據悉，除了重水堆燃料元件生產線外，2010年AFA3G壓水堆核電燃料元件生產線投運，開始為秦山二期、方家山等核電站提供核電燃料組件。

2012年3月28日，我國唯一的一條AP1000核電燃料元件生產線在中核北方開工建設。就在《能源》記者實地探訪的兩周前，AP1000核電燃料元件生產線剛剛完成生產線產品合格性鑒定，具備生產AP1000燃料組件的能力。

2013年3月，國家重大科技專項高溫氣冷堆核電站示范工程的配套工程，具有我國自主知識產權的高溫氣冷堆核電燃料元件生產線，也在該廠開工建設。

“作為我國自主產權和技術應用實踐的廠房，整個高溫氣冷堆車間僅有一臺進口的設備，就是來自德國克萊默的燒結爐。” 在高溫氣冷堆生產車間，該廠廠長助理鄭躍告訴《能源》記者，“從燃料包覆到燃料球壓制再到車削加工，我們均使用了DCS系統，力爭實現全流程的自動化。”

據悉，目前該車間年生產的33直供山東榮成石島灣高溫氣冷堆的示范驗證堆使用。“這條生產線的年產量并不算高，但我們更看重它的示范意義和未來前景。”

挑戰依存

作為核電站核心部件，核燃料組件的質量將直接影響核電站的安全性、可靠性和經濟性。

據悉，自動化改進之前，點焊、釬焊、涂石墨、端塞焊、芯塊制備、燃料球壓制車削、核芯燒結等工序的上料、轉運、加工、下料等環節全部為人工操作，由于人為原因造成的產品質量的波動，成為難以避免的因素。

“在設備系統改進、生產效率提升、人力資源節約的內部需求和加拿大、美國、法國等燃料生產線自動化水平相對較高的行業競爭態勢下，我們緊跟中國制造2025、工業4.0國家重點發展規劃的步伐，從2012年開始系統實施燃料元件生產線設備、系統自動化升級改進。” 馬文軍說，“自動化系統投入使用后，共節約崗位操作人員56人。按人力成本每年13.8萬元計算，每年人力資源成本節約772.8萬元。”

“以重水堆核燃料生產線為例，設備系統運行已超過14年，設備自動化程度較低，大多數設備為純手工操作，效率低、占用人員多、可靠性差。”張杰介紹，“通過設備系統的自動化改進升級，預計到2017年，整個生產線生產運行及管理人員將不超過300人，主工藝生產線人員配備將少于200人，初步實現1噸鈾/人/年的目標。”

事實上，作為在建核電項目最多的國家，中國一直致力于將核燃料加工產業打造成為“一站式”平臺。

除中核北方外，地處四川宜賓，享有“南方核燃料基地”之稱的中核建中燃料元件公司也在積極推進二代加壓水堆及三代主流核電技術“華龍一號”CF系列核燃料元件的制造任務。

與此同時，為滿足未來更多核電項目的用料需求，一南一北兩個全新的核燃料產業園規劃建設藍圖也在緊鑼密鼓的進行中。

然而，一個不爭的事實是：目前國內在運的核電機組中，除秦山一期核電站之外，其余核電機組所使用的燃料組件技術，均從核電技術出口國引進。雖然國內具有完全自主知識產權的四代高溫氣冷堆核燃料技術已經起步，但還僅限于示范實驗階段，未進行商業化應用。

“盡管我們已經實現了大型核電站燃料元件的國產化，但制造技術仍未形成自己的技術體系，產品缺乏自主品牌，如燃料包殼及格架等在內的一些關鍵原材料還要依賴進口。”一位不愿具名的能源專家向《能源》記者表示。

與此同時，也有專家分析，隨著中國廣東核電集團自主研發設計的4組STEP-12核燃料組件和4組CZ鋯合金樣品管組件輻照考驗結束，以及在海外哈薩克斯坦謀求建設核燃料組件廠規劃的落地，都意味著國內核燃料市場供應格局將會進一步優化。