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臨界熱流密度實驗格架設計

　　可以說，在國際上，關鍵技術研發就是一場沒有硝煙的戰爭。核燃料元件是核電站的關鍵部件，為實現其更高安全性和經濟性，一直以來，各國核燃料元件研發競爭激烈。我國此次取得全面突圍，成為擁有核燃料自主技術的“黑馬”，并非易事。核燃料元件的研發難度大，而且先行者往往會申請大量技術專利，讓后繼者研發之路更加狹窄。

　　“如今我國獨立設計研發了大型商用核電站燃料元件，為我國核電‘走出去’夯實了基礎。”中國核動力研究設計院副院長吳琳表示。

　　“在CF系列核燃料元件研發專項中，核動力院承擔著主要的研發任務。在以我為主、不依賴國外技術支持的情況下，CF系列實現了自主研發——材料自主研發、結構創新自主設計、軟件自主研發，以及獨立的堆外試驗，形成了自主知識產權，同時也擁有了自主品牌。”CF系列研發專項總設計師焦擁軍說。

　　顯露的“隱痛”

　　上世紀80年代，我國引進法國百萬千瓦級核電技術（M310），其中就包含核燃料元件技術，核動力院負責消化吸收設計技術，中核建中作為受讓方引進制造技術。

　　根據合同，除了核電站初始堆芯的燃料元件外，大亞灣核電站在使用三批法國制造的核燃料組件后，從第四批起將使用我國制造的燃料元件。

　　而實現“拿來為我使用”并非易事。在當時，核動力院的研發條件不足。能否按期設計制造交貨，誰都無法保證。“但若‘邁不過這道坎’，就要高價從國際上購買。”吳琳表示。

　　通過兩年的學習、消化、吸收，核動力院實現了核燃料技術的全盤吸收。1994年，核安全局發文，同意由核動力院承擔大亞灣核電站的換料設計和燃料管理。

　　此后，我國核電自主化高歌猛進：秦山二期核電站開啟了我國核電站國產化的發展之路，且國產化率在之后的核電站建設中更是不斷提升；嶺澳二期核電站完全實現自主設計、自主建造；最終，我國成功研發具有自主知識產權的第三代核電技術——“華龍一號”。

　　但與核電技術突飛猛進形成反差的是，核燃料始終采用的是法國技術，沒有自主知識產權。

　　使用“別人的技術”必然要“受制于人”。而核電站規模化發展所帶來的大批量需求，更顯露了這份“隱痛”。 與此同時，隨著我國核電國際戰略布局，核燃料技術也成為制約核電“走出去”的瓶頸。

　　形成完善的研發體系

　　在外行人看來，盡管來自不同的國家、擁有不同的品牌，但無論是長度還是外形，燃料組件沒什么區別。事實上，核燃料技術發展到今天，主體特征相差無幾，差別只在一些細節上。而要開辟“新戰場”，研發設計出具有自主知識產權的核燃料組件，就要避開別國申請的專利范圍，找到一個既新穎，技術上有創新，還能滿足功能要求的方案。“這對我們來說是一個很大的挑戰。”CF系列研發專項副總設計師肖忠說。

　　項目啟動后，在約一年半的時間內，核動力院就完成了大量的設計方案、計算、分析等工作，篩選的方案通過了中核集團審查并轉入下一階段試制和試驗工作。

　　包殼材料是核燃料元件的核心之一。在國際上，但凡研發出新的核燃料元件，“首秀”的就是包殼材料，其性能關乎核電站的安全性和經濟性。當初，核動力院在研發具有自主知識產權的N36鋯合金時可謂困難重重，而如今N36特征化燃料組件已經過3個循環的輻照考驗。

　　如果說，材料是核燃料研發中的“硬指標”，那堆內、外試驗就是研發的“軟手段”。只有通過一“硬”兩“軟”，才能保證CF系列研發順利推進。

　　堆外試驗，是描述燃料組件性能和安全指標的關鍵試驗，也只有堆外試驗“做足”，并通過安全評審才能進入商用反應堆進行堆內考驗。

　　臨界熱流密度試驗是堆外試驗的重中之重。該試驗的目的就是要篩選出熱工性能優良的格架，得到燃料組件的臨界熱流密度關系式，找出安全臨界值。為此，核動力院成立了熱工性能研發攻關組，在對大量試驗數據和各種信息重新梳理研究的基礎上，全力研發新型格架。而經試驗表明，CF3的熱工性能優于國外同等核燃料組件。

　　堆內試驗是核燃料研發的最后環節。只有通過池邊檢查測試和熱室檢查的相關數據，才能對CF系列燃料組件性能做出最終評價的依據。

　　堆內輻照成本高，具有一定的風險性，試驗數據在國際上都比較缺乏。因此，“工作人員不僅要在短時間內了解設備的性能指標，熟練操作，掌握分析方法，更要做到‘精通’。”核動力院一所黨委書記伍曉勇說。

　　“現在，核動力院的輻照后檢測分析手段可以說是國內最先進、最完整的，擁有的檢測數據最為豐富。”伍曉勇說，“同時，我們具備了研發設計池邊檢查設備的能力。目前已完成設備設計圖。它不僅可以應用在新產品的研發上，也可以應用在核電廠運行監測中，以提高電廠的安全性和經濟性。”。

　　“CF項目創造了多個第一次，每一個環節都有重大技術突破，最終形成了完善的核燃料研發體系。”焦擁軍表示。

　　“司空見慣”的常態

　　2016年初，正值臘月二十七，核動力院一所張顯鵬在秦山核電二期2號機組燃料廠房內，正對出堆的CF3先導組件進行池邊檢查。他已經沒吃沒喝連續工作近20個小時。密閉、狹窄的核島空間，長時間的高強度作業讓他已顯露疲憊，但為了檢測數據連貫完整精確，他還是堅持著完成了所負責環節的最后一個數據的檢測。

　　緊張的核電站大修讓CF系列池邊檢查的時間窗口只有10天時間。而自2013年N36特征化組件池邊檢查開始，每年都會增加新的檢查任務。時間短暫，工作量不斷累加。為了順利檢測出相關數據，2015年，核動力一所成立了青年突擊隊，實施24小時檢測。

　　“可以說，池邊檢查處于高度緊張的狀態。一個完整的班下來需要10個小時。加上相關工作，每天工作人員休息時間很有限。”

　　2012年3月4日凌晨2點，核動力院堆外實驗組的一群30歲左右的博士們與張顯鵬有著同樣的緊張忙碌，他們正聚精會神地開展著實驗。

　　堆外試驗的周期長，CF系列的堆外試驗經歷了三四年的時間，臨界熱密度試驗更是每次都要做到凌晨。“為攻克臨界熱密度試驗，這群博士們除了吃飯睡覺，幾乎全都泡在實驗室計算、分析、驗證。試驗成功的那一刻，很多年輕人都哭了，因為他們付出了太多。”

　　而在CF系列的研發中，沖鋒在第一線的并非只有年輕人。趙文金，CF專項副總設計師、鋯合金研發領域專家，為了確保N36鋯合金材料的研制，近60歲的他長時間駐守在現場，每天和青年人一起工作到凌晨。

　　“專項研發關鍵階段，有些科技人員每個月要加班近200個小時。也就是說，他們要每天工作12個小時，而且沒有休息日。”焦擁軍動容道。

　　“一個科研項目走下來，建立了科技創新體系，培養一支過硬的科研團隊，這也是最寶貴的資源。”核動力院設計所副所長李慶說，“而在整個科研過程中，設計上突破了一系列關鍵技術，管理上積累了經驗，對核燃料持續研發奠定了良好的基礎。”

　　全面突圍，研發更先進的自主核燃料元件，這是剛剛開始。（胡春玫）