今年，中核集團(tuán)歷經(jīng)多年研發(fā)的我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能核燃料元件——CF系列燃料組件再獲歷史性突破：CF2燃料組件完成三個循環(huán)輻照考驗，自主高性能鋯合金品牌N36特征化燃料組件通過4個循環(huán)的輻照考驗，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平；作為CF系列的拳頭產(chǎn)品，CF3燃料組件完成2個循環(huán)輻照考驗，經(jīng)池邊檢查性能良好，同時，具備了為“華龍一號”提供首爐燃料的條件……這些振奮人心的成果使得我國核電發(fā)展的核心競爭力進(jìn)一步提升。

毋庸置疑，核燃料元件是核電站的核心部件，不斷提高核燃料技術(shù)是改善核電站安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的有效手段，同時也是我國核電技術(shù)國產(chǎn)化、核電“走出去”的關(guān)鍵所在。

為此，近些年來，中核集團(tuán)全力研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能核燃料元件,其間無論是包殼材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗技術(shù)、制造技術(shù)，還是輻照考驗、池邊檢查，都開展了大量自主創(chuàng)新工作，“孕育”出的CF系列燃料組件，完善了我國壓水堆核電站燃料研發(fā)體系，創(chuàng)造了“適用于商用壓水堆的燃料組件自主知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新設(shè)計與工程應(yīng)用”等多個領(lǐng)域的國內(nèi)第一。

自主研發(fā)

推動我國核燃料產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展

一直以來，各核電大國在核燃料組件上的改進(jìn)和品牌創(chuàng)新，從未停止。

概覽我國核能發(fā)展，由于采用引進(jìn)技術(shù)路線，我國大部分核電站使用的核燃料組件均為引進(jìn)國外技術(shù)，在國內(nèi)制造。長期以來，在核心技術(shù)、原材料及關(guān)鍵部件供應(yīng)等方面始終受制于人，嚴(yán)重阻礙了核電“走出去”的步伐。隨著我國核電“走出去”戰(zhàn)略的實施，研發(fā)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核燃料元件迫在眉睫。

“如果沒有自主研發(fā)的核燃料元件，要實現(xiàn)核電強(qiáng)國夢，實現(xiàn)核電‘走出去’戰(zhàn)略就是空談。”中核集團(tuán)“壓水堆燃料元件設(shè)計制造技術(shù)”重點科技專項總指揮李廣長表示。

2010年，中核集團(tuán)實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略決策，“壓水堆燃料元件設(shè)計制造技術(shù)”成為首批啟動的重點科技專項之一。CF系列燃料組件承載著自主核能夢，進(jìn)入到全面自主研發(fā)階段——從包殼材料、燃料組件設(shè)計技術(shù)、燃料組件加工制造技術(shù)、燃料組件入堆輻照考驗到池邊檢查等方面全面突圍，為“華龍一號”“走出去”匯聚力量。

事實上，這并非我國核燃料自主研發(fā)的全部。近幾年，核電發(fā)展步入具有更高安全標(biāo)準(zhǔn)的第三代應(yīng)用階段，與之對應(yīng)，對核燃料安全性、可靠性運行也提出了更高的要求。尤其是日本福島核事故后，各國更是加大了研發(fā)力度。如今，高性能核燃料研發(fā)已然成為各國核能發(fā)展的競爭高地之一。

而多年的制約，早已讓中國核工業(yè)人意識到自主研發(fā)先進(jìn)核燃料對于我國從核大國走向核強(qiáng)國的重要意義。為此，近年來，中核集團(tuán)瞄準(zhǔn)國際最新技術(shù)方向，在先進(jìn)核燃料技術(shù)研發(fā)應(yīng)用方面，與世界各國開展了研發(fā)競賽——自“十一五”末，開展環(huán)形燃料的研究工作，目前已圓滿實現(xiàn)第一階段的研究目標(biāo)；作為快堆核心技術(shù)，MOX燃料組件技術(shù)研發(fā)積極推進(jìn)，目前取得了重要的階段性進(jìn)展；聚焦國際上最先進(jìn)的耐事故燃料（ATF），通過攻關(guān)目前已獲得部分關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)……這對有效推動我國核燃料產(chǎn)業(yè)跨越式、可持續(xù)發(fā)展，提升我國核電站安全性能奠定了基礎(chǔ)。

聯(lián)合攻關(guān)

完善我國壓水堆燃料組件研發(fā)體系

CF系列燃料的天然使命就是保障核電“走出去”戰(zhàn)略實施。根據(jù)中核集團(tuán)核電發(fā)展戰(zhàn)略、“華龍一號”的“走出去”步伐，CF3燃料組件研發(fā)的時間表隨之倒逼生成——4年完成所有項目規(guī)定的自主研發(fā)。顯然，這是個不小的挑戰(zhàn)。

“我們總結(jié)這個項目有重、緊、急、多等特點。重，是責(zé)任重大，如果不能按時完成目標(biāo)，勢必影響我國核電‘走出去’戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)；緊，是人力資源緊、時間進(jìn)度緊；急，是工程項目需求急、問題出來要求急；多，是任務(wù)種類多、單位多、項目接口多、協(xié)調(diào)工作多。”中國核動力研究設(shè)計院的焦擁軍被任命為項目總設(shè)計師，談到這個項目備感壓力。

為了保障科研工作的順利開展，中核集團(tuán)創(chuàng)新組織體系——設(shè)立了“兩總”（總指揮與總設(shè)計師）組織體系和以“項目總指揮和總工程師負(fù)責(zé)制”為基礎(chǔ)、實施“項目—課題”兩級管理的專門項目管理組織機(jī)構(gòu)，以加強(qiáng)項目的全過程管理。

隨后，一場跨板塊的聯(lián)合科研攻關(guān)戰(zhàn)役就此打響——項目由中國核燃料有限公司負(fù)責(zé)組織實施，由核動力院負(fù)責(zé)技術(shù)牽頭，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、中核核電運行管理有限公司、西部新鋯核材料科技有限公司等作為參研單位。4年時間里，研制團(tuán)隊攜手攻堅克難，突破了燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱工水力分析、堆外性能試驗、鋯合金管棒材制備、組件制造工藝、鋯合金堆外試驗、燃料組件輻照后池邊檢查等7項關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，建立了設(shè)計、模擬組件制造、堆外性能試驗等研發(fā)體系，形成了知識產(chǎn)權(quán)成果包。

2012年6月，N36特征化燃料組件入堆考驗；2013年7月，CF2輻照考驗組件入堆考驗；2014年7月，CF3先導(dǎo)組件入堆考驗，而經(jīng)輻照后的檢查結(jié)果表明，組件性能良好，符合設(shè)計預(yù)期，標(biāo)志著我國擁有了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能燃料組件品牌。

“這是國內(nèi)第一次走完核燃料組件研發(fā)全過程，意義重大，為后續(xù)核燃料元件持續(xù)研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。”李廣長表示。

產(chǎn)權(quán)布局

形成完整的燃料組件產(chǎn)品供應(yīng)能力

當(dāng)看到不同國家、不同品牌，且為不同型號的核燃料組件時，非專業(yè)人士會覺得它們的外形體貌都相差無幾。事實也的確如此，核燃料技術(shù)發(fā)展到今天，主體特征基本相似，只是在一些細(xì)節(jié)上有所差別。事實上，核燃料自主研發(fā)難度很大，先行者申請了大量技術(shù)專利讓本就很小的創(chuàng)新空間越發(fā)狹窄。如今想再“孕育”新產(chǎn)品，既要避開專利限制，還要找到一個技術(shù)上既有創(chuàng)新點還能滿足功能要求的方案。難度之大，顯而易見。

研發(fā)期間，核動力院在消化吸收國外核燃料元件設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合“八五”以來我國20余年對核燃料的研究成果，在約一年的時間內(nèi)開展了大量自主創(chuàng)新設(shè)計工作，確保了CF系列燃料組件設(shè)計方案的最終定型。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，CF燃料組件采用了多項自主創(chuàng)新設(shè)計——選定“管中管”導(dǎo)向管設(shè)計，滿足了三代核電技術(shù)對核燃料組件的抗震要求；進(jìn)一步優(yōu)化了格架外條帶，具有了良好的防鉤掛性能；采用了“空間曲面”下管座設(shè)計，使組件具有了更好的防異物功能。

在包殼材料方面，高性能鋯合金的研發(fā)同樣難之又難。

包殼材料是核燃料元件的核心之一。國際上，但凡研發(fā)出新的核燃料元件，“首秀”就是包殼材料，其性能關(guān)乎核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。CF系列燃料組件研發(fā)中，高性能鋯合金的研制是重中之重。核動力院憑借多年在鋯合金研發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)積累和居于國內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)水平，迅速開展自主品牌N36鋯合金的研發(fā)。但由于這是我國首次研制滿足商用堆燃料元件技術(shù)條件的自主品牌鋯合金管棒材，沒有專業(yè)化設(shè)施，也沒有專業(yè)團(tuán)隊，自主研發(fā)可謂困難重重。

該項目副總設(shè)計師、核動力院專家趙文金年逾花甲，多年來始終專注于鋯合金研制。為了確保項目的節(jié)點進(jìn)程，他帶領(lǐng)團(tuán)隊人員,無論寒冬酷暑常年深入科研生產(chǎn)第一線，針對研發(fā)中的各種問題，不斷優(yōu)化工藝、改進(jìn)設(shè)備，最終解決了N36管棒材研制過程中的熱加工、管材軋制、表面處理、熱處理等關(guān)鍵技術(shù)。

4年間，CF系列燃料研發(fā)可謂是“過關(guān)斬將”。而創(chuàng)新研發(fā)出的CF系列燃料組件獲得了豐碩的成果——實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗設(shè)計、制造技術(shù)以及N36鋯合金成分相關(guān)專利88項，形成系統(tǒng)完整的知識產(chǎn)權(quán)成果包，完成了國內(nèi)知識產(chǎn)權(quán)布局，使我國形成了具有市場競爭力的、完整的壓水堆燃料組件產(chǎn)品供應(yīng)能力，同時增強(qiáng)了進(jìn)入國際市場的競爭實力。其中，CF3燃料組件從設(shè)計上滿足三代核電對核燃料的需求，滿足18個月長周期換料的需求等，綜合性能與世界先進(jìn)水平相當(dāng)，可以滿足出口和國內(nèi)核電站需求。

如今，中核集團(tuán)燃料元件研發(fā)仍在不斷優(yōu)化創(chuàng)新、深入推進(jìn)。不久前，CF3改進(jìn)型先導(dǎo)燃料組件設(shè)計通過專家評審，標(biāo)志著該組件的設(shè)計基本完成，將轉(zhuǎn)入制造階段。另外，堆外綜合性能更優(yōu)的新一代N45系列鋯合金包殼材料通過了評審，相信在不久的將來，我國先進(jìn)核燃料技術(shù)也將走在世界前列。