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“硬核”团队:玩转高能小球 点亮四代核能

时间:2019-12-25 来源:生态环境部核与辐射安全中心

高温气冷堆球形燃料元件直径6CM、台球大小,重量200g,内含7g核燃料。它个头不大,但能量巨大,完全反应释放的能量,相当于1.5吨标准煤,4颗这样的“核煤球”就够一个三口之家的冬季取暖了。具有第四代核能技术的高温气冷堆,必将领跑核电领域,点亮四代核能。

7月18日,新闻联播播出了《奋斗70年 壮丽新时代——中国核工业:自主创新引领发展》的新闻,介绍了高温气冷堆球形燃料元件生产线。新闻时长虽然只有4分钟,却凝聚了几代核工业人顽强拼搏、科技创新的智慧和汗水。

高温气冷堆核燃料元件生产线是国家十一五重大科技专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”的重要配套项目,该项目建成了世界首条、也是唯一一条具有工业规模的高温气冷堆球形燃料元件生产线,我国具有完全自主知识产权。9月21日,中核北方高温气冷堆核燃料元件厂获得中央企业先进集体荣誉称号。

神奇的小球

高温气冷堆核电燃料元件有很多神奇之处,这个元件只有6cm,却能产生相当于1.5吨标准煤的热量。这个元件外衣是一层坚硬的石墨壳,能耐2000度高温,远高于1620度反应堆堆芯融毁温度。这个6cm的小球内心有12000个颗粒弥散在球体内,而一个12cm的火龙果才有7300粒种子。

早在2004年,中核北方就启动了高温气冷堆核燃料元件生产线建设相关事宜。2008年2月25日,国务院批准高温气冷堆总体实施方案前期工作正式展开。2013年11月至2014年12月,该公司先后完成高温气冷堆核燃料元件生产线606套工艺设备的安装。2015年开始设备及工艺调试。2016年8月12日至8月24日,生产出首批合格燃料元件280个,并完成产品合格性鉴定。截止目前已生产出65万个合格的球形燃料元件,提前实现了达产达标,全面达到设计能力,生产线产能、产品质量和产品合格率等指标均达到或超过设计水平。

高温气冷堆是第四代核能系统的优先研究开发对象,我国是世界上为数很少几个掌握了高温气冷堆及其燃料元件制造技术的国家,技术上处于国际领先地位,是我国核电走出去参与“一带一路”倡议的重要优选堆型,属于第四代核能技术。

在高温气冷堆元件厂的建设和生产过程中,高温人有幸和它一同走过,每一滴辛勤的汗水,每一步艰辛的跋涉、每一阶段取得的成果都凝结着高温人勤劳的智慧和汗水,印证着高温人团结拼搏、勇克难关的足迹和取得的成绩,在这个过程中高温人也同高温气冷堆元件生产线在磨砺中一同成长。

困难重重的诞生之路

在高温气冷堆核燃料元件厂燃料球制备车间,机械臂正在有条不紊的进行燃料球元件的压制,工作人员则在检视设备运行情况。生产线直接从清华大学的实验室转化到工业应用,并不是简单的复制粘贴,也不是成比例放大,由于需要考虑规模效益和经济性,很多设备与工艺需要进一步改进和不断完善,生产线95%的工艺设备都是首次应用的非标专业设备,高温气冷堆元件厂联合清华大学对生产线设备进行了280项改造。

高温气冷堆燃料元件的关键工序包覆燃料颗粒制备工艺作为特殊工艺过程,控制要求高、操作精细化程度高、工艺过程复杂,包覆制备车间员工的工作是要在每批约400万个直径只有0.5mm左右的核燃料颗粒表面,利用气象沉积技术,在包覆炉内通过改变工艺气体介质及温度,依次包覆4层包覆层。
自高温气冷堆核燃料元件生产线投产以来,包覆燃料颗粒破损率一直是影响包覆燃料颗粒合格率的“罪魁祸首”,让人头疼不已。每次得到破损率不合格的消息,包覆制备车间一张张年轻而稚嫩的脸一次又一次黯淡下去,大家心里都沉甸甸的。
他们抱着不气馁不放弃的态度,决定从细节着手,排除每一个可能的影响因素,找到影响破损率的关键原因。从加料、取样、出料到筛分振选,规范操作,固定操作人员,进行监督检查,避免因人员操作造成颗粒破损。甚至对于包覆炉清理工作也进行了严格要求,制定清理标准图册,避免因包覆炉不清洁影响包覆层性能。

由于整个包覆过程像一个“黑箱子”,看不见摸不着,核燃料颗粒投入包覆炉内,只有最后出料完毕且通过检测才能知道包覆结果,所以他们决定,开始建立详细的数据统计,希望通过各批次间各种工艺控制参数的差异,找到影响破损率的关键原因。

通过全体人员的坚持和努力,最终发现包覆过程中喷嘴中路、环路压力与包覆燃料颗粒破损率有一定的关系,再分析影响喷嘴中路、环路压力的因素,通过对管道进行维护清理,控制气体压力,稳定气体流量,最终控制住了包覆燃料颗粒破损率。

高温气冷堆的固有安全性、多用途性以及模块化建造等特点与优势,尤其适合“一带一路”中小型电网国家,在核电“走出去”方面具有多重优势。

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