打造華龍一號最強“核能芯” 推動中國核燃料產(chǎn)業(yè)鏈升級
——專訪中核建中核燃料元件有限公司副總經(jīng)理、總工程師彭海青

2020-01-06 12:19:01高樹超

中國核電 2020年6期

核能強國夢的要求，“走出去”的必然選擇

《中國核電》：華龍一號全球首堆示范工程核燃料元件順利通過出廠驗收，并于2019年9月10日上午啟運至福清核電。這是我國核燃料產(chǎn)業(yè)和華龍一號示范工程建設(shè)史上又一里程碑，您能對開啟華龍一號核燃料元件生產(chǎn)的背景和原因做個簡單介紹嗎？

彭海青：“倉廩實，天下安”。華龍一號核燃料元件的生產(chǎn)，是由其重要性決定的。作為核電站的“糧食”，核燃料元件是核電站運行的第一道安全屏障，它的質(zhì)量問題，是關(guān)系到核電站安全運行的重要因素。作為核電站反應(yīng)堆的核心部件，它既是釋熱元件，又是放射性裂變產(chǎn)物的第一道屏障，對核反應(yīng)堆以至核電站的安全可靠和經(jīng)濟運行有至關(guān)重要的影響。

華龍一號是我國在30余年核電科研、設(shè)計、制造、建設(shè)和運行的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)研發(fā)的三代先進百萬千瓦級壓水堆核電機組。要完成對華龍一號的“保駕護航”，相關(guān)核燃料元件生產(chǎn)的國產(chǎn)化也是必須的，這也是實現(xiàn)我國核能強國夢的必然要求，此種形式下，我們不僅要開啟反應(yīng)堆技術(shù)與核燃料技術(shù)“兩手都要抓”的模式，而且必須“兩手都要硬”。

同時，隨著“一帶一路”倡議的全面推進，核電“走出去”迎來重要歷史機遇，華龍一號是核電“走出去”旗艦產(chǎn)品，其核燃料元件的生產(chǎn)成為至關(guān)重要的一環(huán)。

中核建中多年來憑借深厚的技術(shù)積累以及對市場的洞察，積極搶占核燃料元件制造科技前沿陣地，歷經(jīng)多年技術(shù)積累和不斷探索，在核燃料制造與生產(chǎn)方面居于領(lǐng)先地位，這樣一個光榮的歷史任務(wù)也就當仁不讓地落在了中核建中全體同仁的肩上。

任務(wù)之初，中核建中黨委提出“三個務(wù)必”，務(wù)必嚴格技術(shù)標準和程序要求，務(wù)必確保質(zhì)量和進度，務(wù)必確保“零破損”。特別強調(diào)要堅持精益生產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)組織和協(xié)調(diào)機制，按計劃完成華龍一號全球首堆燃料元件生產(chǎn)及供貨任務(wù)，并提出了“打造最強‘核能芯’”的響亮口號。

不負眾望，打造華龍一號“最強芯”

《中國核電》：全力保障華龍一號高質(zhì)量核燃料元件生產(chǎn)任務(wù)圓滿完成，向著建成國際一流核燃料元件制造基地的目標而不懈奮斗，這是中核集團黨組書記、董事長余劍鋒赴中核建中調(diào)研指導(dǎo)時的要求。余書記的話語充滿期望，中核建中又是怎樣不負重托，完成這一光榮使命的呢？

彭海青：華龍一號全球首堆核燃料元件正式生產(chǎn)任務(wù)是我公司承制的最大批次的華龍一號首爐元件生產(chǎn)任務(wù)，產(chǎn)品品種多、數(shù)量大。為此公司黨委專門發(fā)出動員，充分完善開工前的準備工作。尤其技術(shù)環(huán)節(jié)，在汲取現(xiàn)有核燃料元件制造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在各相關(guān)單位的緊密合作下，我們經(jīng)歷了工藝技術(shù)改進等多個階段的技術(shù)攻關(guān)，最終成功掌握華龍一號核燃料元件批量化制造技術(shù)。

這個過程是相當坎坷和艱難的。自2010年華龍一號CF系列核燃料組件專項啟動后，中核建中和中國核動力研究設(shè)計院一同承擔(dān)了CF系列組件的研制工作。2012到2014年，短短兩年時間，中核建中實現(xiàn)了N36特征化組件入堆，CF2和CF3先導(dǎo)組件入堆等一系列重大突破。2019年5月10日我國三代核電華龍一號燃料元件——中核集團自主研制的CF3核燃料元件成功完成批量化制造，并通過出廠驗收。9月10日，華龍一號全球首堆燃料元件的最強“核能芯”運往福清核電站。2020年6月12日6時18分(巴基斯坦卡拉奇時間)，由中核建中生產(chǎn)的183組華龍一號核燃料元件的運輸船，歷經(jīng)16天4200海里的遠洋運輸，到達拉奇核電站。經(jīng)檢測，貨包狀態(tài)全部正常，卡拉奇2號機組即將注入最強中國“芯”。

在華龍一號研制生產(chǎn)中，中核建中以最短時間、最高效率創(chuàng)新了目前國內(nèi)核燃料元件研制領(lǐng)域最多的先進技術(shù)，收獲了專利成果30多項，華龍一號系列科技成果獎近20項，形成重要的研制類總結(jié)報告50余份，成就了中國核燃料元件制造的多項第一。20組CF3燃料組件研制成功并入堆考驗，實現(xiàn)了我國自主三代核電燃料元件批量化制造，填補了國內(nèi)空白，榮獲中核集團重大科技成果獎金獎。

掛圖作戰(zhàn)，朝督暮責(zé)，攻堅克難

《中國核電》：要完成這樣光榮而重大的任務(wù)與使命，兩年時間異常緊迫，具體生產(chǎn)過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)，又是如何克服的呢？

彭海青：首先，為厘清各環(huán)節(jié)邏輯順序，辨識難點和風(fēng)險點，做好分析，制定有效工作措施，我們采取了“掛圖作戰(zhàn)”生產(chǎn)方式，將生產(chǎn)涉及的不同節(jié)點目標起止時間、完成周期等繪成時間結(jié)點圖，覆蓋工藝技術(shù)、原材料采購、設(shè)備運維、生產(chǎn)調(diào)試等諸多環(huán)節(jié)，提醒大家在關(guān)鍵環(huán)節(jié)和節(jié)點了解彼此進度，加強協(xié)作配合。

其次，確保指導(dǎo)生產(chǎn)文件的正確與適用，是完成任務(wù)必須邁過的第一道坎。文件編制極其嚴格和繁瑣，不僅份數(shù)多，而且編制每條項目內(nèi)容時都必須切實可行。為盡快把新工藝文件編制出來，相關(guān)部門時常加班到深夜，無論多晚多辛苦，務(wù)必做到一絲不茍，不可以有絲毫差池。前期這兩項工作的完成，為后面的執(zhí)行夯實了基礎(chǔ)。

最大的難關(guān)是相關(guān)技術(shù)的攻克。華龍一號機組設(shè)計壽命為60年，反應(yīng)堆采用177堆芯設(shè)計，堆芯采用18個月?lián)Q料，電廠可利用率高達90%以上，反應(yīng)堆對燃料元件的制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量要求更加嚴苛，要做到主要性能指標達到甚至高于設(shè)計技術(shù)要求，不能“憑經(jīng)驗”和“吃老本”。我們通過“朝督暮責(zé)”的技術(shù)把控，對每個技術(shù)環(huán)節(jié)縝密執(zhí)行精益求精，以“硬實力”完成技術(shù)設(shè)計與研發(fā)的“沖鋒”。

為了應(yīng)對華龍一號核燃料元件的適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計，從工藝設(shè)計和方案策劃入手，自始至終落實專業(yè)職責(zé)，開展工藝過程控制及專項監(jiān)查工作，進行制造工藝過程風(fēng)險識別，有效保證了產(chǎn)品工藝可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

值得一提的是硼硅玻璃管的設(shè)計、試制和生產(chǎn)，要求極嚴格，生產(chǎn)工藝難度很大。為打破國外壟斷，我們重新設(shè)計了硼硅玻璃管，并對生產(chǎn)廠家現(xiàn)場調(diào)研考察，嚴格按ISO質(zhì)量認證體系評價，提高技術(shù)和質(zhì)量保障，腳踏實地落實技術(shù)攻關(guān),最終研制出的國產(chǎn)硼硅玻璃管，產(chǎn)品性能比進口的更高。

在實際執(zhí)行中，僅針對產(chǎn)品的改進設(shè)計就有10項。成功將二氧化鈾芯塊、格架、燃料棒、相關(guān)棒等零部件的39項成熟關(guān)鍵工藝直接運用到華龍一號組件上。

產(chǎn)品質(zhì)量控制也非常重要。我們通過生產(chǎn)全過程質(zhì)量控制數(shù)字化管理，梳理出全流程工序，細化到每一道工序和每一個崗位，執(zhí)行動態(tài)管理。同時強化質(zhì)量監(jiān)督，加強內(nèi)外溝通，高標準嚴要求，多渠道多措施為質(zhì)量保駕護航，確保了產(chǎn)品生產(chǎn)“零缺陷”。

元件零部件精度要求很高，基本都精確到微米。為確保高精度加工穩(wěn)定可靠，我們提升加工精細度和工藝穩(wěn)定性的要求標準，對2700余只定位格架、300余套上下管座進行加嚴控制，全力保障元件生產(chǎn)任務(wù)的圓滿完成。

國產(chǎn)自主研發(fā)，鮮明體現(xiàn)先進

《中國核電》：華龍一號核燃料元件凝聚了中核建中公司全體同仁及合作單位的智慧、心血和汗水，不僅各項性能完全達標，在設(shè)計和工藝上也非常有創(chuàng)新性。您能介紹一下核心特色和創(chuàng)新點嗎？

彭海青：華龍一號核燃料元件創(chuàng)新主要體現(xiàn)在兩個方面：

一個是元件的最核心結(jié)構(gòu)部件是國產(chǎn)的新型鋯基合金材料N36生產(chǎn)燃料棒包殼管，成功實現(xiàn)了采用我國自主研發(fā)的新型鋯基合金材料N36生產(chǎn)燃料棒包殼管，這對于完整自主知識產(chǎn)權(quán)具有重要意義：其一，N36具有熱中子吸收截面較低和力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及輻照穩(wěn)定性良好等特點，能保證燃料棒燃耗深度達到國際先進水平；其二，N36鋯合金產(chǎn)業(yè)化打破了國外技術(shù)壟斷，為實現(xiàn)華龍一號大型商用核電站“走出去”的戰(zhàn)略目標，奠定了重大關(guān)鍵材料基礎(chǔ)。

另一個，中核建中在華龍一號核燃料元件加工制造技術(shù)實現(xiàn)了完善和升級，做到了自主創(chuàng)新，體現(xiàn)在以下三點：

一是元件定位格架的外條帶結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，提高了燃料組件在堆內(nèi)運行的安全裕量；二是導(dǎo)向管采用厚壁、雙層管設(shè)計，通過“管中管”式抗彎曲設(shè)計與堆外試驗驗證結(jié)果的迭代，對導(dǎo)向管內(nèi)徑和壁厚、緩沖段內(nèi)徑和高度以及導(dǎo)向管緩沖段上端的流水孔的尺寸設(shè)計進行了優(yōu)化，增強了燃料組件整體剛度、尺寸穩(wěn)定性和抗彎曲性能，使其充分滿足三代核電站0.3g地面加速度的抗震要求；三是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間曲面結(jié)構(gòu)功能一體化下管座和高效過濾結(jié)構(gòu)，利用流道本身的幾何形狀進行異物過濾，不需要額外加裝防異物板，具備捕捉和過濾較小尺寸異物的能力，防異物性能明顯優(yōu)于國際同類產(chǎn)品。

華龍一號核燃料元件還具有最鮮明的先進性特征，一是設(shè)計的先進性。華龍一號核燃料元件與目前世界先進水平的燃料組件相當，燃料設(shè)計燃耗52GW.d/tU，可滿足18個月長周期循環(huán)，燃料破損率設(shè)計小于1/100000，滿足三代核電站0.3g地面加速度的抗震設(shè)計要求，且具有優(yōu)良的機械性能和熱工水力性能；二是制造的先進性。華龍一號核燃料元件所使用的鋯合金、不銹鋼等9種牌號、44種規(guī)格的原材料均實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，具有完全自主可控能力。

中國核工業(yè)發(fā)展的重要里程碑

《中國核電》：中核建中為華龍一號核燃料元件生產(chǎn)交出了滿意答卷，對于中國核工業(yè)未來的發(fā)展也意義非凡，您能概括介紹一下這如何推動中國核工業(yè)的發(fā)展嗎？

彭海青：毫無疑問，華龍一號核燃料元件的生產(chǎn)是中國核工業(yè)發(fā)展的重要里程碑，其意義重大，作用非凡。

首先，華龍一號核燃料元件可降低燃料失效風(fēng)險，提高運行可靠性，減少非計劃停堆次數(shù)或縮短大修時間，可直接或間接轉(zhuǎn)化為豐厚的經(jīng)濟效益。

其次，相關(guān)研制突破了核發(fā)達國家的重重專利壁壘和知識產(chǎn)權(quán)封鎖，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的華龍一號核燃料元件品牌，突破了高性能燃料組件的出口限制，因此又具有極高的戰(zhàn)略層面社會效益。