我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)三代核電“華龍一號(hào)”走出國(guó)門(mén)的背后，是無(wú)數(shù)科技創(chuàng)新的支撐。這其中，先進(jìn)燃料的研發(fā)既是核心，也是難點(diǎn)。

“落后產(chǎn)品不賣給你們中國(guó)還能給誰(shuí)?”

上世紀(jì)80年代初，國(guó)產(chǎn)燃料剛開(kāi)始自主化研發(fā)，只能摸著石頭過(guò)河，通過(guò)為數(shù)不多的渠道去獲得少許國(guó)外燃料設(shè)計(jì)相關(guān)信息，再不斷嘗試、改進(jìn)，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次迭代成功開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于30萬(wàn)千瓦反應(yīng)堆的燃料組件CF1。

因?yàn)镃F1燃料設(shè)計(jì)較早，研發(fā)之路又一度中斷，使得目前國(guó)內(nèi)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站大都采用法國(guó)設(shè)計(jì)的AFA系列燃料組件。

“2008年，在大亞灣核電站AFA3G燃料組件會(huì)議上，法方代表說(shuō)，‘我們舊格架庫(kù)存量很大，落后產(chǎn)品不賣給你們中國(guó)還能給誰(shuí)?’當(dāng)時(shí)他們傲慢的神情，我至今不敢忘。”中核集團(tuán)核燃料元件技術(shù)領(lǐng)域首席專家、CF項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師焦擁軍說(shuō)，這句話也都深深地印刻在每一位燃料人的腦海里，落后就要挨打。

為了突破核燃料“卡脖子”困境，適應(yīng)我國(guó)核電出口和應(yīng)用的需求，中核集團(tuán)在國(guó)防科工局等相關(guān)部委支持下，于2010年將“CF系列燃料(壓水堆燃料元件設(shè)計(jì)制造技術(shù))”列為集團(tuán)首批科技重點(diǎn)專項(xiàng)之一、“龍騰2020”科技創(chuàng)新計(jì)劃核心組成部分。

由餐盤(pán)引發(fā)的設(shè)計(jì)靈感

隨著CF專項(xiàng)立項(xiàng)，CF燃料系列研發(fā)工作有條不紊地展開(kāi)，但問(wèn)題也隨之而來(lái)。“國(guó)內(nèi)大部分核電站都采用法國(guó)AFA3G燃料組件，要實(shí)現(xiàn)CF燃料裝堆應(yīng)用，不可避免地會(huì)出現(xiàn)與法國(guó)燃料在同一個(gè)反應(yīng)堆內(nèi)同時(shí)使用的情況，燃料組件的相容性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”燃料領(lǐng)域?qū)＜覐堷P林說(shuō)。

CF燃料與法國(guó)燃料保持總體結(jié)構(gòu)特征相近是保證燃料組件相容性的基礎(chǔ)，而與之相矛盾的是，“中國(guó)芯”需要擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這就要求必須通過(guò)大量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)突破國(guó)外專利和技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議的限制。

下管座作為燃料組件的支撐底座，是冷卻劑進(jìn)入燃料組件的第一個(gè)關(guān)鍵部件。

正如凱庫(kù)勒通過(guò)夢(mèng)見(jiàn)蛇才發(fā)現(xiàn)苯環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的靈感往往來(lái)源于日常生活。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)一位成員在家吃早飯的時(shí)候，家中餐盤(pán)的形狀和擺放引起了他的注意。踏破鐵鞋無(wú)覓處，餐盤(pán)間隙形成的空間曲面通道不正是團(tuán)隊(duì)一直在尋找的異物克星嗎!

在餐盤(pán)的“幫助”下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于顛覆性地設(shè)計(jì)了功構(gòu)一體化的空間曲面下管座。

下管座只是CF燃料組件 “新芯”科技中的一個(gè)縮影。正是因?yàn)檫@些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，“中國(guó)芯”擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研發(fā)過(guò)程中已申請(qǐng)發(fā)明專利百余項(xiàng)，同時(shí)對(duì)“華龍一號(hào)”目標(biāo)出口國(guó)也開(kāi)展了專利布局，申請(qǐng)了國(guó)際專利15項(xiàng)，先后獲得了管理創(chuàng)新成果獎(jiǎng)、中國(guó)先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用獎(jiǎng)，更是斬獲了中核集團(tuán)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

“N36”橫空出世

包殼是核反應(yīng)堆燃料組件最重要的結(jié)構(gòu)之一，包殼管壁需要承擔(dān)起核反應(yīng)堆“第一道安全屏障”的重任。

在Zr-4合金之后，美國(guó)(ZIRLO)、法國(guó)(M5)以及俄羅斯(E635)均打造了自己的高性能鋯合金品牌。然而，我國(guó)卻遲遲沒(méi)有一款屬于自己的鋯合金包殼材料。

中核集團(tuán)對(duì)于包殼材料的發(fā)展早有前瞻性的預(yù)判：沒(méi)有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能鋯合金，中國(guó)的核電事業(yè)發(fā)展就會(huì)被“卡脖子”。因此，核動(dòng)力院形成了以設(shè)計(jì)需求為牽引、材料研發(fā)為主體的多單位緊密協(xié)同合作的研發(fā)創(chuàng)新大團(tuán)隊(duì)。

在中國(guó)工程院院士周邦新的帶領(lǐng)下，從最基本的成分設(shè)計(jì)、優(yōu)選出發(fā)，在龐大的鋯合金體系中選出40多種合金配方，逐一熔煉、測(cè)試、分析，熔煉錠從紐扣錠到3公斤、7公斤再到36公斤。

數(shù)千個(gè)日日夜夜的堅(jiān)守，終于換來(lái)一種性能優(yōu)異鋯合金材料橫空出世，取名“N36”。

N36產(chǎn)業(yè)鏈橫跨大半個(gè)中國(guó)，從西北的熔煉鍛造車間到東南的管材廠，都能看到核動(dòng)力院人為N36工業(yè)化制備不懈奮斗的身影。

在這個(gè)跨單位、跨專業(yè)、跨地域協(xié)同作戰(zhàn)的大團(tuán)隊(duì)的努力下，歷時(shí)近十年，終于逐步突破了260公斤級(jí)、500公斤級(jí)和噸級(jí)N36鋯合金管棒材研制，為N36鋯合金在CF組件上的應(yīng)用奠定了材料制備基礎(chǔ)。

時(shí)任專家組組長(zhǎng)的中國(guó)工程院院士李冠興對(duì)該項(xiàng)目給予了高度評(píng)價(jià)：“核電強(qiáng)國(guó)必須要用我們國(guó)家自己的技術(shù)，今天，我們終于實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越發(fā)展。”

入堆，商用，開(kāi)花結(jié)果

CF燃料的研發(fā)在經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制造和堆外試驗(yàn)等環(huán)節(jié)后，終于迎來(lái)了大考——入堆輻照考驗(yàn)。這意味著CF燃料工程化、商用化的落地。

2020年11月28日，177組CF燃料組件裝入“華龍一號(hào)”海外首堆——巴基斯坦卡拉奇核電站工程2號(hào)機(jī)組，拉開(kāi)了CF燃料組件大批量應(yīng)用的大幕，數(shù)十年的研發(fā)終于開(kāi)花結(jié)果。