核燃料元件生產(chǎn)技術(shù)與發(fā)展探討

尚改彬

（中國核電工程有限公司，鄭州450052）

1 我國現(xiàn)狀

由于反應堆的不同，其堆芯設(shè)計的核燃料元件不同，需要的專用制造生產(chǎn)線不同，檢測控制要求也不同。從試驗堆（重水或壓水、池式堆等）到后來以發(fā)電為主的壓水堆、重水堆、高溫氣冷堆、快堆等，雖然是同一種堆型，但是有各自機型的應用產(chǎn)品，相應的生產(chǎn)裝置也各有特色，生產(chǎn)線中要考慮的制造問題亦如此。我國“華龍一號”壓水堆核電站也研究開發(fā)出了自己的CF 系列燃料元件，基本上每種核燃料元件都有相應的加工工藝、裝備以及檢測要求，因此，除化工轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)制備二氧化鈾粉末線和加工車床等設(shè)備是共用之外，其密封包裝都是專線專用，專用設(shè)備，互相不通用。因此，建立了幾種不同的生產(chǎn)線，不同堆型有不同生產(chǎn)線，主要包括壓水堆與重水堆和高溫氣冷堆等元件生產(chǎn)線，甚至不同機型有不同生產(chǎn)線，如壓水堆的美國堆AP 系列元件和法國堆AFA 系列元件生產(chǎn)線。

2 發(fā)展需求

核燃料元件生產(chǎn)隨著用戶的需求而擴大，我國提出的思路是“在安全基礎(chǔ)上大力發(fā)展核電”，并擴大核燃料元件的生產(chǎn)能力，這對于我國的核電發(fā)展既是機遇又是挑戰(zhàn)。我國國內(nèi)核電堆型機型多，各種產(chǎn)品需求不一，且品種多樣，因此，提出了柔性線的想法，即用一條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)多樣產(chǎn)品。專家進行了若干研究，至今仍在研究中，這種策劃必須打破原來的思路，因此，其難度很高，并且需要大量的資金投入。

3 研發(fā)生產(chǎn)

目前，我國燃料元件生產(chǎn)主要集中于宜賓與包頭2 個廠商，其他由試驗室規(guī)模生產(chǎn)。宜賓主要生產(chǎn)壓水堆元件AF 系列（法國機型）、QSI 系列（稱CF1，國產(chǎn)）、VVER 系列（俄國機型）及其他試驗用元件，產(chǎn)能850t 鈾/a。包頭主要生產(chǎn)重水堆CANDU（加拿大機型），生產(chǎn)壓水堆元件AF 系列（法國機型）、AP 系列（美國機型），并生產(chǎn)高溫氣冷堆HTGR 系列（國產(chǎn)），產(chǎn)能1200t 鈾/a。

元件產(chǎn)品的研發(fā)與反應堆研發(fā)緊密結(jié)合，現(xiàn)在主要研發(fā)單位是中國核動力研究院、中國原子能研究院、上海核工程研究設(shè)計院等，清華大學、中國科學院、中廣核研究院等機構(gòu)進行相關(guān)研究，但研究方向各有特色。

元件生產(chǎn)工程設(shè)計由中國核電工程有限公司完成，并進行相關(guān)生產(chǎn)工藝與裝備研究開發(fā)，承擔了所有國內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)線的設(shè)計及一些設(shè)備國產(chǎn)化研究，同時進行了生產(chǎn)和制造的研究工作。

4 MOX燃料

MOX 燃料是含鈾含钚的氧化物燃料元件，也有以其他金屬的混合氧化物為燃料的。由于钚材料極毒強放射性、臨界風險大、加工難度大，因此，技術(shù)仍在發(fā)展階段。國際上該技術(shù)較為成功的有法國、比利時、俄國等國家，美國、印度、日本和韓國等國家在研究開發(fā)階段[1]。

MOX 燃料用于壓水堆中時，因為用了含钚材料，其堆芯和防護需要相應地進行改造設(shè)計，并且運行單位要對質(zhì)量安全負最終責任，因此，需要獲得運營單位的認可。由于MOX 燃料成本高，國際上應用MOX 燃料多是從技術(shù)突破角度考慮，沒有單純從經(jīng)濟利益考量，許多國家的反應堆已經(jīng)用了一定比例的MOX 燃料。

我國有意發(fā)展鈉冷快堆技術(shù)，示范堆已列入建設(shè)計劃，MOX 燃料生產(chǎn)建設(shè)一并啟動，其研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)運營正在開展中[2]。

5 技術(shù)進展

核燃料元件制造生產(chǎn)大體分為3 段：前段為制備二氧化鈾和二氧化钚粉末；中段為成型燒制成芯塊；后段為密封包裝，同時有零部件加工和高性能檢測試驗裝置。由于HTGR 系列等產(chǎn)品形式不同，其生產(chǎn)有獨特的工藝，其流程在一定程度上相類似。

前段制備二氧化鈾粉末，即從轉(zhuǎn)化廠的來料六氟化鈾經(jīng)氣化水解氫化還原制備成二氧化鈾粉末。常用的有ADU 法（重鈾酸銨沉淀法）、AUC（三碳酸鈾銑銨沉淀法）法和IDR（綜合干法）。ADU 法和AUC 法因為用到鈾溶液，均稱濕法，國內(nèi)技術(shù)已成熟并被改進，與世界水平同步。IDR 法又稱干法，該方法流程短、設(shè)備少、自動化控制產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，優(yōu)點明顯，國內(nèi)近年來已研制出干法GFX-200 生產(chǎn)線并推廣應用，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，技術(shù)上的突破使技術(shù)水平達到世界先進行列。

中段成型燒制，即將二氧化鈾粉末添加劑制粒壓制成型，一般是鉛筆粗細的短節(jié)，根據(jù)需要確定中間是否留孔，送燒結(jié)爐高溫燒結(jié)，一般溫度為1 750℃，出料根據(jù)需要加磨床達到要求的直徑和尺寸要求。目前，國內(nèi)制粒機壓機燒結(jié)爐磨床等均可國產(chǎn)，但在質(zhì)量、可靠度等方面與國際知名廠家仍有差距。

后段密封包裝中，焊封技術(shù)與焊接工藝密切相關(guān)，有普通TIG 焊接、釬焊、壓力電阻焊、電子束焊、激光焊接等多種焊接方法。組裝技術(shù)如骨架格架及其脹結(jié)技術(shù)、焊接技術(shù)等均有自主技術(shù)。對如高溫氣冷堆等用燃料元件采用彌散體核芯顆粒類包覆穿衣和壓球多層包覆技術(shù)，試驗中板狀金屬元件設(shè)計為復合軋制和復合共擠壓等密封包覆技術(shù)。

零部件加工和高性能檢測試驗裝置包括生產(chǎn)線上的自動控制和分析檢測設(shè)備等，生產(chǎn)線以自有技術(shù)為主，采用部分國際廠家設(shè)備，結(jié)合生產(chǎn)線的特點進行設(shè)計，使生產(chǎn)線水平達到了世界先進行水平。

6 規(guī)范發(fā)展

對于將來一段時間的國內(nèi)及國際市場需求，許多部門進行了研究和預測?，F(xiàn)在多種產(chǎn)品及材料生產(chǎn)，均能夠自給。由于內(nèi)外市場壓力，有些生產(chǎn)量很小，生產(chǎn)線建成后多年未能達產(chǎn)。多數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)，工藝技術(shù)成熟可靠，能夠保證供給，唯不可獨代的關(guān)鍵設(shè)備可靠性和高品質(zhì)，至為關(guān)鍵，亦為突破之迫切重點，現(xiàn)在產(chǎn)能足夠，能夠滿足市場需求。但是，生產(chǎn)新型考驗用產(chǎn)品時，由于非量產(chǎn)，通過局部改造措施可順利完成，而大批量新型產(chǎn)品的生產(chǎn)，目前還需要規(guī)劃，關(guān)鍵之點是路線尚在探索中，究竟要生產(chǎn)什么樣的產(chǎn)品以及其形式與規(guī)格，這是迫切需要確定的。

7 結(jié)語

目前，各核燃料元件生產(chǎn)廠的生產(chǎn)定位與發(fā)展需要總體考慮與論證，其成熟度相差很大，有的已經(jīng)成熟多年，有的還是一片空地，甚至土地還未完成使用手續(xù)，其投資和技術(shù)人員更應充分考慮，對項目確立與關(guān)鍵工藝需考慮全面。在發(fā)展探索中，有很多部門、機構(gòu)和專家參與，且專家背景不同，定位各異，因此，需要進行論證，善于聽取專家聲音，抓主流和主要問題，解決關(guān)鍵問題。在策劃之初，結(jié)合項目需求，確定項目方案及構(gòu)架，以技術(shù)和政策為基礎(chǔ)和依據(jù)，考慮經(jīng)濟性和先進性等，根據(jù)項目的特點，確定接口以便實施。