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核燃料元件制造


核燃料元件是核燃料产业的最终产品,是核电站的能量源泉,核燃料元件的制造过程分为芯体材料制备、芯体加工成型、元件密封包覆、组件组装和质量检验等。核燃料元件制造工艺由化工、机械、粉末冶金、理化分析、辐射防护等许多领域的工艺技术组成,是一个技术综合性很强的行业。由于核工业的特殊性,许多工艺技术的实现比普通行业难,形成了设备的专用性和研制周期长、价格昂贵的特点,客观上增加了相应技术发展的难度。


核燃料元件制造技术的发展历程

第一阶段,上世纪 50~60 年代,以生产堆和研究实验堆燃料元件的研制和生产为主要特征。在这一阶段,我国系统地开展了燃料元件制造技术的研究,并逐步建立了较为完整配套的核燃料元件研发体系和批量生产能力,为我国各种反应堆研制和生产了多种不同类型的燃料元件。这些燃料元件的研制成功,奠定了我国燃料元件制造的技术基础,为我国燃料元件制造技术的进一步发展积累了经验、培养了人才[1]  。

第二阶段,上世纪 70~80 年代,以动力堆燃料元件的研制和生产为主要特征,潜艇核动力堆燃料元件研制成功并投入生产。随着我国自行设计的300MW 压水堆核电站CQS300燃料元件研制成功并投入生产,标志着我国已基本掌握了核电燃料元件的制造技术。

第三阶段,自1991年起的20多年的时间里,我国先后引进了法国的M310核电技术、俄罗斯的WWER1000核电技术、加拿大的CANDU6核电技术和正在引进过程中的第三代核电技术——美国西屋公司的AP1000核电技术和法国阿海珐公司的EPR核电技术,与之相对应,我国核燃料制造技术先后引进了法国AFA-2G、AFA-3G与全M5 AFA-3G三种核燃料制造技术,俄罗斯WWER1000核燃料制造技术,加拿大CANDU6核燃料制造技术,并且实现了国产化。目前正在引进美国AP1000核燃料制造技术以及法国EPR核燃料制造技术,并将实现燃料元件国产化。应该说通过这一轮引进,我国燃料元件的制造技术水平和能力已接近或达到国际水平。

第四阶段,自2010年开始研制具有自主知识产权的CF系列燃料元件,CF燃料元件是我国自主研发的三代核电技术、具有完全自主知识产权的“华龙一号”的核燃料。目前, CF系列核燃料元件研发获得了突破性进展,解决了元件自主设计、锆合金技术问题。2014年7月10日, CF3燃料组件实现入堆,这标志着CF3完成研究、设计、试验、制造等主要研制工作,进入随堆运行考验阶段,对其关键性能指标进行最后验证。到2017年,我国核燃料元件可完全实现自主化,并成功实现工业化应用。


燃料元件制造技术现有水平

我国经过长期的科研和生产实践, 已拥有成熟的燃料元件制造技术。包括铀氧化物的萃取纯化,ADU、AUC 和IDR 等工艺制备铀氧化物, 湿法和干法制备四氟化铀等十余项技术。这些技术已成功地应用于各种燃料元件的制造, 并通过生产各类燃料元件, 建立先进的技术装备能力和可靠的质量保证体系, 积累了丰富的工程实践经验, 从而保证了制造工艺、产品质量和燃料组件的安全可靠性。

在引进核电燃料制造技术的同时,我国研究实验堆燃料元件制造技术得到进一步发展。自主研制成功了高通量工程试验堆和中国先进研究堆板型低浓铀燃料元件、100MW 高温气冷堆包覆颗粒球形燃料元件和脉冲堆铀氢锆燃料元件。

核燃料元件的发展与核电技术的发展是相辅相成的,随着核电技术的不断发展,燃料元件的制造技术也在不断地发展和创新,特别是燃料元件材料和结构的不断推陈出新,对燃料元件的制造技术提出了更新更高的要求。我国的燃料元件制造应该本着“应用一代,开发一代,预研一代”的原则,需要加强自主研发和创新能力建设,加快引进技术的吸收、消化和再创新,积极推进新材料、新工艺和新装备研发,不断提升燃料元件制造的技术水平和研发能力[2]  。


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