扬帆启航!聚焦球形元件制造技术产业化

2021-09-14 17:31  来源:中国原子能工业公司    球形元件  核燃料

内蒙古包头与山东荣成,两座相距千余公里的城市,因全球首个高温气冷堆核电站而结缘。当核电站的“粮食”——燃料元件从包头送达荣成,并通过反应堆运行变为清洁电能,世界四代先进核能技术产业化在中国内蒙古包头起步。



 
9月12日,国家科技重大专项——高温气冷堆核电站示范工程首次实现临界,这是示范工程继今年完成双堆冷试、双堆热试、首次装料后取得的又一重大进展。反应堆内装载着十几万个直径为60毫米的球形燃料元件,每个球形燃料元件能发出1.5吨标准煤的热量,这些球形燃料元件是中核北方核燃料元件有限公司高温气冷堆元件厂为我国第一座工业规模高温气冷堆示范电站提供的动力之源。
 
核燃料作为核电站的“粮食”,支撑着我国核工业蓬勃发展。1958年,我国第一个核燃料元件厂建厂,为“两弹一艇”事业打下坚实基础。六十多年来,几代核燃料人不懈奋斗,用创新发展确保我国核工业“粮仓”丰饶富足,助推我国核事业不断向前。
 
内蒙古包头与山东荣成,两座相距千余公里的城市,因全球首个高温气冷堆核电站而结缘。当核电站的“粮食”——燃料元件从包头送达荣成,并通过反应堆运行变为清洁电能,世界四代先进核能技术产业化在中国内蒙古包头起步。
 
 
 
作为“十一五”国家科技重大专项的高温气冷堆核燃料元件生产线,是我国完全具有自主知识产权的、世界首条的、唯一一条具有工业规模的球形燃料元件生产线。该条生产线2013年3月开工建设,同年7月主体厂房封顶;2014年12月完成全部建筑工程及工艺设备的安装;2015年8月,完成工艺鉴定,实现生产线全线打通;2016年3月取得投料批准书,同年8月,成功制备出了首批燃料元件,完成产品合格性鉴定;2021年1月9日,首批产品发往山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程,为其并网发电提供燃料动力。截止目前,高温气冷堆核燃料元件生产线共产出合格燃料元件约86.393万个,产品质量稳步提升,产品合格率逐年提高,各项指标均超过设计指标。目前国际上已建成的高温气冷堆仍处于实验堆和原型堆阶段,而该生产线已具备持续向高温气冷堆核电站稳定供货能力。标志着我国高温气冷堆元件制造水平已走在世界前列。9月12日,高温气冷堆核电站首次实现临界,预示着我国高温气冷堆技术向产业化发展又迈出了坚实的一步。
 
快马加鞭未下鞍
惊回首,离天三尺三
 
走进中核北方高温气冷堆核燃料元件厂的大门,“曙光”两个熠熠生辉的“毛体”金色大字映入眼帘。这是中核集团副总经理马文军在中核北方公司工作时,对高温气冷堆球形燃料元件生产线寄予的厚望。他希望通过该条生产线的建设、调试、运行,达到“出产品、出成果、出经验、出人才、出精神、出示范”的成果典范,提升中核北方具有第四代核电技术特征的燃料元件制造能力,推动我国高温气冷堆商业化发展,进一步增强我国核能技术的国际竞争力。
 
高温气冷堆球形燃料元件直径约60毫米,由直径约50毫米的燃料区和壳厚约5毫米的无燃料区组成。在高温气冷堆球形燃料元件燃料区内均匀弥散约一万余个包覆燃料颗粒。包覆燃料颗粒由每一颗粒径约0.5毫米的核芯颗粒表面均匀的沉积四层包覆层,这四层包覆层可充分吸收气态裂变产物,缓冲堆内辐照引起的核芯肿胀,阻挡放射性裂变产物的释放。在包覆燃料颗粒表面裹上约0.2毫米厚的基体石墨粉,在硅橡胶模内与均匀混合的基体石墨粉经两次压制成带无燃料区的完整燃料球,再经一系列操作后制备出成品元件球。
 
高温气冷堆球形燃料元件是包覆燃料颗粒弥散在石墨基体中的全陶瓷型燃料元件,TRISO颗粒通过热解炭和碳化硅涂层束缚核燃料和阻挡放射性裂变产物的释放。鉴于上述结构和材料特点使高温气冷堆核燃料元件具备了耐高温,且具有足够的机械强度和优越的辐照性能。
 
高温气冷堆作为目前世界上最安全的核反应堆型之一,高质量的燃料元件是高温气冷堆安全运行的可靠保障,每一批次高温气冷堆球形燃料元件的诞生,都是中核北方与清华大学深化产学研结合,共同推动科学技术产业化转化结晶成果的展现。
 
倒海翻江卷巨澜
奔腾急,万马战犹酣
 
核芯ADU凝胶球由硝酸铀酰欠酸溶液(ADUN)溶液经过分散器注入氨水中形成,设备调试初期,ADUN溶液流量通过人为调整阀门开度来控制,无法保证流量的均匀及稳定性,由此造成ADU凝胶球粒径及畸形颗粒份额偏差,多批次核芯颗粒质量波动较大。为了实现对ADUN溶液流量的精准控制,中核北方高温气冷堆元件厂的公关团队通过采取设计安装支架、改进阀门结构、编制胶液流量控制程序等多项措施,经过长达4个月的实践验证,最终将分散流量稳定控制在±1g/min,核芯颗粒成品率由调试初期的75%提升至90%以上,超过80%的设计指标。
 
包覆燃料颗粒制备需要在每批次约400万个核芯燃料颗粒表面依次均匀沉积四层包覆层,破损率要求控制在6×10e-5,对包覆操作过程精细度要求极高。调试初期,破损率不满足技术指标成为生产过程中影响包覆燃料颗粒合格率的主要症结。为了查找破损率的影响因素,中核北方高温气冷堆元件厂现场技术人员与清华大学老师密切配合,讨论并制定排查方案,从生产系统的每一个细节入手,收集和统计DCS系统的原始记录,分析并确定影响因素。组织技术力量进行攻关,解决了设备和工艺方面的问题。通过一系列措施的实施及监督检查标准的建立,使包覆燃料颗粒产品质量得到有效控制,合格率由65%提高到96.5%。
 
燃料球制备调试过程中,通过改进终压机运行程序、优化低温炭化工艺曲线,解决了压制球坯裂纹及炉内升温速率偏差大造成的低温炭化球坯裂纹等制约产品质量问题。各项改进和优化实施后,球形燃料元件的成品率稳定在98%以上,达到了预期目标。调试过程中还发现压制球坯炭化结束后低温炭化炉炉底残留有大量伴随严重刺鼻气味的废液及黄色废物,为此中核北方高温气冷堆元件厂组织青年技术人员成立青年突击队,对设备及工艺过程进行排查,开展炉底气路改造工作,成功解决炉底积液问题,避免了对环境和人员造成的影响。
 
 
高温气冷堆球形燃料元件生产线95%的工艺设备都是首次应用的非标专业设备,由于是从清华大学的实验室直接转化而来,因此不能直接应用于工业规模球形燃料元件生产。为此,高温堆元件厂联合清华大学对生产线设备共计进行了280项改造,进一步改进和完善了设备工艺。从2014年设备安装调试开始至今,高温堆核燃料元件厂先后完成了烧结炉装卸料系统、压制线系统、压制球坯炭化炉装料系统和车削上料系统四个自动化改造项目。这些改造对提高生产效率、稳定产品质量、减少人工劳动强度、减少核物料接触,以及降低生产成本等方面带来了诸多益处,也进一步提升了高温气冷堆球形燃料元件生产线的规模效益和经济性。
 
原有的生产线生产能力,单日产量1000个元件,通过2017年自动化改造,单日元件球产量提升至1800个,实现了生产线自动连续生产,满足了具有第四代核技术特征球形燃料元件生产制造的工程化要求。
 
在生产线建设过程中,中核北方高温气冷堆核燃料元件厂结合自身特点建立了首个涵盖生产、技术、质量、核材料、安全环保及职业健康等内容的全新管理体系,编制涉及安全类文件151份,技术类文件637份,生产类文件480份,并形成了113个企业标准。通过调试、运行验证及不断完善,已具备整体转让条件,这也意味着,今后高温气冷堆燃料元件生产线的扩大甚至“走出去”将有标准可依。
 
刺破青天锷未残
天欲堕,赖以拄其间
 
建设一个项目、打造一套体系、攻克一堆难题、造出一批设备、锻炼一支队伍,是所有新建项目的必经之路。中核北方高温气冷堆核燃料元件厂通过生产线的建设、调试、投产、工业规模转化,取得和积累了四个方面的成果与经验:建成了一条完善的工业化规模的燃料元件生产线;建立了一套独有的技术、质量、安全和环保体系;稳定了生产工艺,提高了生产线自动化水平;培养了一批专业技术骨干队伍。实现了国家科技重大专项自主创新的目的和要求,为我国高温气冷堆“商业化”和“走出去”奠定了坚实的基础。
 
站在“十四五”的开局之年和“两个一百年”奋斗目标的历史机遇期,中核北方公司正在加速建成面向全球、国际一流核材料和核燃料元件生产科研基地,高温气冷堆球形燃料元件必将承载着希望的航船,迎着曙光,乘风破浪,扬帆远航。


深圳核博会

图为技术


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