核燃料作為核電站的“糧食”，支撐著我國核工業蓬勃發展。1958年，我國第一個核燃料元件廠建廠，為“兩彈一艇”事業打下堅實基礎。六十多年來，幾代核燃料人不懈奮斗，用創新發展確保我國核工業“糧倉”豐饒富足，助推我國核事業不斷向前。
內蒙古包頭與山東榮成，兩座相距千余公里的城市，因全球首個高溫氣冷堆核電站而結緣。當核電站的“糧食”——燃料元件從包頭送達榮成，并通過反應堆運行變為清潔電能，世界四代先進核能技術產業化在中國內蒙古包頭起步。
作為“十一五”國家科技重大專項的高溫氣冷堆核燃料元件生產線，是我國完全具有自主知識產權的、世界首條的、唯一一條具有工業規模的球形燃料元件生產線。該條生產線2013年3月開工建設，同年7月主體廠房封頂；2014年12月完成全部建筑工程及工藝設備的安裝；2015年8月，完成工藝鑒定，實現生產線全線打通；2016年3月取得投料批準書，同年8月，成功制備出了首批燃料元件，完成產品合格性鑒定；2021年1月9日，首批產品發往山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程，為其并網發電提供燃料動力。截止目前，高溫氣冷堆核燃料元件生產線共產出合格燃料元件約86.393萬個，產品質量穩步提升，產品合格率逐年提高，各項指標均超過設計指標。目前國際上已建成的高溫氣冷堆仍處于實驗堆和原型堆階段，而該生產線已具備持續向高溫氣冷堆核電站穩定供貨能力。標志著我國高溫氣冷堆元件制造水平已走在世界前列。9月12日，高溫氣冷堆核電站首次實現臨界，預示著我國高溫氣冷堆技術向產業化發展又邁出了堅實的一步。
快馬加鞭未下鞍
驚回首，離天三尺三
走進中核北方高溫氣冷堆核燃料元件廠的大門，“曙光”兩個熠熠生輝的“毛體”金色大字映入眼簾。這是中核集團副總經理馬文軍在中核北方公司工作時，對高溫氣冷堆球形燃料元件生產線寄予的厚望。他希望通過該條生產線的建設、調試、運行，達到“出產品、出成果、出經驗、出人才、出精神、出示范”的成果典范，提升中核北方具有第四代核電技術特征的燃料元件制造能力，推動我國高溫氣冷堆商業化發展，進一步增強我國核能技術的國際競爭力。
高溫氣冷堆球形燃料元件直徑約60毫米，由直徑約50毫米的燃料區和殼厚約5毫米的無燃料區組成。在高溫氣冷堆球形燃料元件燃料區內均勻彌散約一萬余個包覆燃料顆粒。包覆燃料顆粒由每一顆粒徑約0.5毫米的核芯顆粒表面均勻的沉積四層包覆層，這四層包覆層可充分吸收氣態裂變產物，緩沖堆內輻照引起的核芯腫脹，阻擋放射性裂變產物的釋放。在包覆燃料顆粒表面裹上約0.2毫米厚的基體石墨粉，在硅橡膠模內與均勻混合的基體石墨粉經兩次壓制成帶無燃料區的完整燃料球，再經一系列操作后制備出成品元件球。
高溫氣冷堆球形燃料元件是包覆燃料顆粒彌散在石墨基體中的全陶瓷型燃料元件，TRISO顆粒通過熱解炭和碳化硅涂層束縛核燃料和阻擋放射性裂變產物的釋放。鑒于上述結構和材料特點使高溫氣冷堆核燃料元件具備了耐高溫，且具有足夠的機械強度和優越的輻照性能。
高溫氣冷堆作為目前世界上最安全的核反應堆型之一，高質量的燃料元件是高溫氣冷堆安全運行的可靠保障，每一批次高溫氣冷堆球形燃料元件的誕生，都是中核北方與清華大學深化產學研結合，共同推動科學技術產業化轉化結晶成果的展現。
倒海翻江卷巨瀾
奔騰急，萬馬戰猶酣
核芯ADU凝膠球由硝酸鈾酰欠酸溶液（ADUN）溶液經過分散器注入氨水中形成，設備調試初期，ADUN溶液流量通過人為調整閥門開度來控制，無法保證流量的均勻及穩定性，由此造成ADU凝膠球粒徑及畸形顆粒份額偏差，多批次核芯顆粒質量波動較大。為了實現對ADUN溶液流量的精準控制，中核北方高溫氣冷堆元件廠的公關團隊通過采取設計安裝支架、改進閥門結構、編制膠液流量控制程序等多項措施，經過長達4個月的實踐驗證，最終將分散流量穩定控制在±1g/min，核芯顆粒成品率由調試初期的75%提升至90%以上，超過80%的設計指標。
包覆燃料顆粒制備需要在每批次約400萬個核芯燃料顆粒表面依次均勻沉積四層包覆層，破損率要求控制在6×10e-5，對包覆操作過程精細度要求極高。調試初期，破損率不滿足技術指標成為生產過程中影響包覆燃料顆粒合格率的主要癥結。為了查找破損率的影響因素，中核北方高溫氣冷堆元件廠現場技術人員與清華大學老師密切配合，討論并制定排查方案，從生產系統的每一個細節入手，收集和統計DCS系統的原始記錄，分析并確定影響因素。組織技術力量進行攻關，解決了設備和工藝方面的問題。通過一系列措施的實施及監督檢查標準的建立，使包覆燃料顆粒產品質量得到有效控制，合格率由65%提高到96.5%。
燃料球制備調試過程中，通過改進終壓機運行程序、優化低溫炭化工藝曲線，解決了壓制球坯裂紋及爐內升溫速率偏差大造成的低溫炭化球坯裂紋等制約產品質量問題。各項改進和優化實施后，球形燃料元件的成品率穩定在98%以上，達到了預期目標。調試過程中還發現壓制球坯炭化結束后低溫炭化爐爐底殘留有大量伴隨嚴重刺鼻氣味的廢液及黃色廢物，為此中核北方高溫氣冷堆元件廠組織青年技術人員成立青年突擊隊，對設備及工藝過程進行排查，開展爐底氣路改造工作，成功解決爐底積液問題，避免了對環境和人員造成的影響。
原有的生產線生產能力，單日產量1000個元件，通過2017年自動化改造，單日元件球產量提升至1800個，實現了生產線自動連續生產，滿足了具有第四代核技術特征球形燃料元件生產制造的工程化要求。
在生產線建設過程中，中核北方高溫氣冷堆核燃料元件廠結合自身特點建立了首個涵蓋生產、技術、質量、核材料、安全環保及職業健康等內容的全新管理體系，編制涉及安全類文件151份，技術類文件637份，生產類文件480份，并形成了113個企業標準。通過調試、運行驗證及不斷完善，已具備整體轉讓條件，這也意味著，今后高溫氣冷堆燃料元件生產線的擴大甚至“走出去”將有標準可依。
刺破青天鍔未殘
天欲墮，賴以拄其間
建設一個項目、打造一套體系、攻克一堆難題、造出一批設備、鍛煉一支隊伍，是所有新建項目的必經之路。中核北方高溫氣冷堆核燃料元件廠通過生產線的建設、調試、投產、工業規模轉化，取得和積累了四個方面的成果與經驗：建成了一條完善的工業化規模的燃料元件生產線；建立了一套獨有的技術、質量、安全和環保體系；穩定了生產工藝，提高了生產線自動化水平；培養了一批專業技術骨干隊伍。實現了國家科技重大專項自主創新的目的和要求，為我國高溫氣冷堆“商業化”和“走出去”奠定了堅實的基礎。
站在“十四五”的開局之年和“兩個一百年”奮斗目標的歷史機遇期，中核北方公司正在加速建成面向全球、國際一流核材料和核燃料元件生產科研基地，高溫氣冷堆球形燃料元件必將承載著希望的航船，迎著曙光，乘風破浪，揚帆遠航。
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