中国核燃料这五年 自主研发推动我国核燃料产业跨越式发展

今年，中核集团历经多年研发的我国具有完全自主知识产权的高性能核燃料元件——CF系列燃料组件再获历史性突破：CF2燃料组件完成三个循环辐照考验，自主高性能锆合金品牌N36特征化燃料组件通过4个循环的辐照考验，性能达到国际先进水平；作为CF系列的拳头产品，CF3燃料组件完成2个循环辐照考验，经池边检查性能良好，同时，具备了为“华龙一号”提供首炉燃料的条件……这些振奋人心的成果使得我国核电发展的核心竞争力进一步提升。

毋庸置疑，核燃料元件是核电站的核心部件，不断提高核燃料技术是改善核电站安全性、可靠性和经济性的有效手段，同时也是我国核电技术国产化、核电“走出去”的关键所在。

为此，近些年来，中核集团全力研发具有自主知识产权的高性能核燃料元件,其间无论是包壳材料、结构设计、试验技术、制造技术，还是辐照考验、池边检查，都开展了大量自主创新工作，“孕育”出的CF系列燃料组件，完善了我国压水堆核电站燃料研发体系，创造了“适用于商用压水堆的燃料组件自主知识产权创新设计与工程应用”等多个领域的国内第一。

自主研发

推动我国核燃料产业跨越式发展

一直以来，各核电大国在核燃料组件上的改进和品牌创新，从未停止。

概览我国核能发展，由于采用引进技术路线，我国大部分核电站使用的核燃料组件均为引进国外技术，在国内制造。长期以来，在核心技术、原材料及关键部件供应等方面始终受制于人，严重阻碍了核电“走出去”的步伐。随着我国核电“走出去”战略的实施，研发拥有完全自主知识产权的核燃料元件迫在眉睫。

“如果没有自主研发的核燃料元件，要实现核电强国梦，实现核电‘走出去’战略就是空谈。”中核集团“压水堆燃料元件设计制造技术”重点科技专项总指挥李广长表示。

2010年，中核集团实施创新驱动发展战略决策，“压水堆燃料元件设计制造技术”成为首批启动的重点科技专项之一。CF系列燃料组件承载着自主核能梦，进入到全面自主研发阶段——从包壳材料、燃料组件设计技术、燃料组件加工制造技术、燃料组件入堆辐照考验到池边检查等方面全面突围，为“华龙一号”“走出去”汇聚力量。

事实上，这并非我国核燃料自主研发的全部。近几年，核电发展步入具有更高安全标准的第三代应用阶段，与之对应，对核燃料安全性、可靠性运行也提出了更高的要求。尤其是日本福岛核事故后，各国更是加大了研发力度。如今，高性能核燃料研发已然成为各国核能发展的竞争高地之一。

而多年的制约，早已让中国核工业人意识到自主研发先进核燃料对于我国从核大国走向核强国的重要意义。为此，近年来，中核集团瞄准国际最新技术方向，在先进核燃料技术研发应用方面，与世界各国开展了研发竞赛——自“十一五”末，开展环形燃料的研究工作，目前已圆满实现第一阶段的研究目标；作为快堆核心技术，MOX燃料组件技术研发积极推进，目前取得了重要的阶段性进展；聚焦国际上最先进的耐事故燃料（ATF），通过攻关目前已获得部分关键性能数据……这对有效推动我国核燃料产业跨越式、可持续发展，提升我国核电站安全性能奠定了基础。

联合攻关

完善我国压水堆燃料组件研发体系

CF系列燃料的天然使命就是保障核电“走出去”战略实施。根据中核集团核电发展战略、“华龙一号”的“走出去”步伐，CF3燃料组件研发的时间表随之倒逼生成——4年完成所有项目规定的自主研发。显然，这是个不小的挑战。

“我们总结这个项目有重、紧、急、多等特点。重，是责任重大，如果不能按时完成目标，势必影响我国核电‘走出去’战略目标的实现；紧，是人力资源紧、时间进度紧；急，是工程项目需求急、问题出来要求急；多，是任务种类多、单位多、项目接口多、协调工作多。”中国核动力研究设计院的焦拥军被任命为项目总设计师，谈到这个项目备感压力。

为了保障科研工作的顺利开展，中核集团创新组织体系——设立了“两总”（总指挥与总设计师）组织体系和以“项目总指挥和总工程师负责制”为基础、实施“项目—课题”两级管理的专门项目管理组织机构，以加强项目的全过程管理。

随后，一场跨板块的联合科研攻关战役就此打响——项目由中国核燃料有限公司负责组织实施，由核动力院负责技术牵头，另外，由中核建中核燃料元件有限公司、中核北方核燃料元件有限公司、中核核电运行管理有限公司、西部新锆核材料科技有限公司等作为参研单位。4年时间里，研制团队携手攻坚克难，突破了燃料组件结构设计、热工水力分析、堆外性能试验、锆合金管棒材制备、组件制造工艺、锆合金堆外试验、燃料组件辐照后池边检查等7项关键技术瓶颈，建立了设计、模拟组件制造、堆外性能试验等研发体系，形成了知识产权成果包。

2012年6月，N36特征化燃料组件入堆考验；2013年7月，CF2辐照考验组件入堆考验；2014年7月，CF3先导组件入堆考验，而经辐照后的检查结果表明，组件性能良好，符合设计预期，标志着我国拥有了完全自主知识产权的高性能燃料组件品牌。

“这是国内第一次走完核燃料组件研发全过程，意义重大，为后续核燃料元件持续研发打下了良好的基础。”李广长表示。

产权布局

形成完整的燃料组件产品供应能力

当看到不同国家、不同品牌，且为不同型号的核燃料组件时，非专业人士会觉得它们的外形体貌都相差无几。事实也的确如此，核燃料技术发展到今天，主体特征基本相似，只是在一些细节上有所差别。事实上，核燃料自主研发难度很大，先行者申请了大量技术专利让本就很小的创新空间越发狭窄。如今想再“孕育”新产品，既要避开专利限制，还要找到一个技术上既有创新点还能满足功能要求的方案。难度之大，显而易见。

研发期间，核动力院在消化吸收国外核燃料元件设计的基础上，结合“八五”以来我国20余年对核燃料的研究成果，在约一年的时间内开展了大量自主创新设计工作，确保了CF系列燃料组件设计方案的最终定型。

在结构设计方面，CF燃料组件采用了多项自主创新设计——选定“管中管”导向管设计，满足了三代核电技术对核燃料组件的抗震要求；进一步优化了格架外条带，具有了良好的防钩挂性能；采用了“空间曲面”下管座设计，使组件具有了更好的防异物功能。

在包壳材料方面，高性能锆合金的研发同样难之又难。

包壳材料是核燃料元件的核心之一。国际上，但凡研发出新的核燃料元件，“首秀”就是包壳材料，其性能关乎核电站的安全性和经济性。CF系列燃料组件研发中，高性能锆合金的研制是重中之重。核动力院凭借多年在锆合金研发领域的技术积累和居于国内领先的技术水平，迅速开展自主品牌N36锆合金的研发。但由于这是我国首次研制满足商用堆燃料元件技术条件的自主品牌锆合金管棒材，没有专业化设施，也没有专业团队，自主研发可谓困难重重。

该项目副总设计师、核动力院专家赵文金年逾花甲，多年来始终专注于锆合金研制。为了确保项目的节点进程，他带领团队人员,无论寒冬酷暑常年深入科研生产第一线，针对研发中的各种问题，不断优化工艺、改进设备，最终解决了N36管棒材研制过程中的热加工、管材轧制、表面处理、热处理等关键技术。

4年间，CF系列燃料研发可谓是“过关斩将”。而创新研发出的CF系列燃料组件获得了丰硕的成果——实现结构设计、试验设计、制造技术以及N36锆合金成分相关专利88项，形成系统完整的知识产权成果包，完成了国内知识产权布局，使我国形成了具有市场竞争力的、完整的压水堆燃料组件产品供应能力，同时增强了进入国际市场的竞争实力。其中，CF3燃料组件从设计上满足三代核电对核燃料的需求，满足18个月长周期换料的需求等，综合性能与世界先进水平相当，可以满足出口和国内核电站需求。

如今，中核集团燃料元件研发仍在不断优化创新、深入推进。不久前，CF3改进型先导燃料组件设计通过专家评审，标志着该组件的设计基本完成，将转入制造阶段。另外，堆外综合性能更优的新一代N45系列锆合金包壳材料通过了评审，相信在不久的将来，我国先进核燃料技术也将走在世界前列。