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當前位置: 企業文化 > 風采中核
記中核北方研制壓水堆環形燃料組件的那些人和事
文章來源:中國核工業報 日期:2019年04月24日

  環形燃料組件是一種結構上完全革新的先進燃料組件,環形的燃料芯塊具有“溫度低、儲能少”的特點,在正常運行工況與事故運行工況下,一定程度上提升了反應堆的固有安全性經濟性。作為壓水堆先進燃料組件的重要發展趨勢,環形燃料組件的發展受到了國際和國內業界的重點關注。

  中核集團作為我國核工業發展的龍頭企業,2008年啟動了環形燃料組件研發項目,全面建立了環形燃料組件研發體系。項目組織實施由中國原子能工業有限公司負責,燃料組件設計和試驗驗證由中國原子能科學研究院負責,而燃料組件制造技術研究和開發的重任,落到了具有60年核燃料研制歷史的中核北方核燃料元件有限公司身上。

  2018年11月,我國具有完全自主知識產權的新一代高性能核燃料元件——壓水堆環形燃料組件研制取得重要突破:國內首套具有完全自主知識產權的全尺寸環形燃料組件試驗件研制成功。目前,中核北方正在進行制造技術的進一步優化與驗證,根據設計要求研制一系列關鍵部件試驗件與組件試驗件,全力推進項目實施。

  拓荒·開啟新型燃料研發之旅

  2010年,原子能院將環形燃料棒初步設計圖紙交到中核北方技術人員的手中。制造是讓“設計”變成現實的過程,環形燃料組件革新性的結構設計無疑給“制造”帶來了巨大的挑戰。“敢啃硬骨頭、敢打硬仗”,這是中核北方人的傳統。面對環形燃料組件初步設計圖紙,中核北方技術人員有底氣,選擇迎難而上。

  結合我國現有核燃料元件制造工藝,中核北方技術團隊從環形燃料元件的原輔材料的供應能力、制造工藝、組裝與焊接工藝、臨界安全、輻射防護安全等方面入手,分析研究制造的可行性。經反復工藝試驗、計算與分析,一個個設想逐漸成型:環形芯塊壓制成型模具設計有了思路,并研制成功了尺寸合格的環形二氧化鈾芯塊;環形燃料組件焊接工藝可行性研究初步確定,制備了燃料短棒樣品……這一切都論證了環形燃料組件制造的可行性,更堅定了設計者的信心。

  講起這段拓荒歷程,中核北方冶金研究所所長魏東波如數家珍:“當時別看是一個小短棒,焊縫也不怎么漂亮,但想了很多辦法,動了很多腦筋,能焊出來就是創新。”

  隨著研究工作的一步步深入,2014年,壓水堆環形燃料組件二氧化鈾環形芯塊、定位格架、導向管部件、管座、骨架等詳細設計圖紙與技術條件一一“出爐”,獨特的整體結構與全新的細節尺寸設計及組件制造質量的高要求,使環形燃料組件的研制早已超出常規意義上的工藝流程的設計變化與工藝參數的摸索,中核北方技術團隊面對的是新型組件制造體系的建立。制造工藝裝備的設計研制、制造工藝方法的開發、多種尺寸規格鋯合金主要原材料的制造等等,所有的一切對這個團隊提出了全方位的挑戰。

  拿到組件詳細設計圖紙后,中核北方充分發揮“老廠”優勢,調動廠內各方資源,開始分頭攻關。中核北方壓水堆元件廠組裝車間技術員劉杰、魏啟飛承擔的任務是骨架組裝裝置與組件組裝裝置這兩套重量級專用工藝裝備的研發工作。

  環形燃料組件與棒狀燃料組件相比結構設計差異很大,工藝裝備研發的很多工作流程、關鍵參數的設計均無經驗可以借鑒,只能通過充分的試驗、計算、分析來確定。

  骨架組裝裝置研制工作是個不小的挑戰。骨架焊接電極、焊接支撐桿等關鍵部件的尺寸設計與加工精度直接關系到最終骨架焊接的質量。因此,裝置加工過程中,劉杰多次前往裝置制造廠商,關注設計與加工過程中的每一個細節,采用短管試驗件多次測試焊接參數,確保萬無一失。

  與此同時,組件組裝裝置的設計方案面臨“難產”。“組件組裝是組件制造的最后一步,存在很大的技術風險,絕不可以掉以輕心。”負責組件組裝裝置研制的魏啟飛慎之又慎。他詳細分析圖紙的設計尺寸與技術要求,與設計方、裝置制造廠進行多次交流,才確定了最終的設計方案。“記得有一次與裝備制造廠代表一同去找設計方交流技術方案,從早上進會議室到討論完,天都黑了。過程非常激烈,大家都忘了時間,設備廠家代表說這是他出的最充實的一次差,我說這是我們一貫的節奏。”魏啟飛談到組件裝置設計的過程時神采飛揚,難掩對自己工作的熱愛與自豪。除此以外,中核北方還設計研制了環形燃料雙包殼燃料棒焊接裝置、定位格架焊接裝置等專用工藝裝備,全面建立了開展全尺寸壓水堆環形燃料組件研制的裝備能力。

  摸索·突破新型燃料研發瓶頸

  環形燃料組件研制中,工藝技術難點的突破是一個需要長期摸索的過程。環形二氧化鈾芯塊、環形燃料棒、定位格架這三個關鍵部件的研制最具代表性。

  “環形二氧化鈾芯塊內外徑尺寸精度要求非常高,對于陶瓷性質的材料來說控制難度非常大。”中核北方冶金研究所負責環形芯塊研制的技術人員劉文濤說。設計了一套套成型模具,開展了一輪輪工藝試驗,經過了一次次失敗的嘗試,他們選擇出最優化的工藝方案組合,開展多批次環形芯塊的制備工藝串聯與驗證試驗,他們確保了工藝的穩定性。

  燃料棒的焊接質量一直是燃料組件質量控制的重中之重。中核北方冶金研究所焊接技術員魯杭杭構思巧妙,精心設計了焊接工裝與燃料棒的相對運動方式,研制了專用焊接工裝和夾具,實現了雙包殼燃料棒的焊接。

  環形燃料定位格架制造過程包括柵元與條帶沖制、組裝、焊接等多道工序,每道工序對定位格架產品的尺寸、性能等技術指標影響都很大,需通過大量的產品試制、數據分析、工藝及工裝調整才能研制出滿足設計要求的定位格架,解決沖制過程中出現的尺寸精度達不到要求、沖制裂紋等問題。研制帶來了不小的檢測工作量。每當壓水堆元件廠負責沖制的技術人員李建偉帶著沖制出來的柵元試驗樣品送檢時,理化檢測中心的調度葛藤都會習慣性地問一下:“又是全尺寸檢測?”一個個柵元圖紙上的標注尺寸有幾十個,針對不合格尺寸的一次次修模,可能牽一發而動全身,必須經由大量的試驗件重復檢測提供準確的結果,才能指導工藝下一步工作的方向。就是經過這樣一次次的沖制試驗—檢測—修模、調整參數—沖制試驗—再檢測的過程,才使得定位格架越來越接近設計標準與要求。

  多種尺寸規格的鋯合金原材料的制造也是環形燃料組件研制過程中需解決的關鍵問題。為了保證組件研制質量與項目整體實施進度,中核北方與鋯材制造廠在技術確認、質量管控方面嚴格執行質量管理要求。在鋯材制造過程中,中核北方全程派專人進行質量監造,現場實時跟蹤和解決出現的技術和質量問題,保證了原材料的按期交付,為后續組件研制提供了保障。中核北方派駐鋯材制造廠的監造人員徐衛東說:“材料合格是組件研制合格的第一關,我就是要在現場把好關,不能把質量風險留給組件制造環節。”

  作為對傳統燃料元件的進一步發展,環形燃料組件的研發是設計與制造迭代反饋的過程,凝結著制造方與設計方共同的心血。在組件設計過程中只有不停地嘗試、驗證、修正,才能固化出一套屬于自己的設計與制造工藝。

  承擔環形燃料組件下管座研制工藝試驗的王耀華是中核北方壓水堆元件廠機械加工車間的主任。他在開展下管座機械加工工藝驗證試驗時發現,采用整體加工管座,支腿處無法清根。于是他向設計方提出了采用分體機械加工與支腿焊接組裝的工藝路線,并開展了充分的試驗,得到了設計方的認可。王耀華說:“設計環節可能存在工藝實現性的問題。如果根據我們的初步分析,一些設計方案的工藝實現出現了技術難點,也不能輕易否決設計的可行性。我們自己想辦法尋找新的工藝路線與工藝方法,反饋給設計人員,這樣才能保證環形燃料組件設計的創新性。”壓水堆元件廠生產計劃科科長崔振波說:“我們需要針對不同的設計方案研制不同的工裝,并且試驗件加工數量、種類也比較多,增加了研制過程投入的精力、時間與成本。但我們相信這些投入對于環形燃料的研發是不可或缺的,不僅是為設計定型提供支持,也是對制造工藝不斷驗證與完善的過程。”

  中核北方在制造環節完成了對工藝可實現性的驗證,使得設計不斷完善,在保證組件性能與高質量制造的同時,增加了制造工藝自由度,也為組件工程化制造奠定了基礎。

  收獲·掌握新型燃料研發絕技

  2018年,在前期努力攻克一系列關鍵部件制造技術的基礎上,隨著全尺寸組件研制用大批量鋯材等原材料的到廠,首套全尺寸壓水堆環形燃料組件試驗件研制工作正式啟動。該套組件將用于整體組件的機械性能研究與水力沖刷性能研究,對環形燃料組件設計驗證工作意義重大,整體項目進度要求時間緊迫。

  為了保證按期完成全尺寸組件研制任務,中核北方充分調動公司內部的各項資源,合理制定研制進度計劃,在各工序間達到“無縫銜接”。其它生產任務的工作安排已經滿負荷,單獨抽出人員來進行組件研制,人力方面會顯得極為緊缺,于是各單位實行輪值制,盡力安排、處理妥當手頭上的工作,各單位研制進度計劃細化到每個班次,抽出一名管理人員來實時跟蹤,隨時協調研制過程中出現的問題。在近一個月的攻堅時間里,“忘我拼搏,擼起袖子加油干”成為研發一線技術人員和管理人員的信條。

  中核北方冶金研究所燃料棒組裝焊接現場,端塞組裝、芯塊裝管、焊接等各工序按照節拍有條不紊地進行,操作員工爭分多秒,各司其職。冶金研究所科研管理科的王兆松負責燃料棒研制的現場調度,“每天打數不清的電話,時間太緊張了。只有一個想法,就是保質保量完成燃料棒研制,交付給組件組裝工序,絕不影響組件最終交付。”那個時候,王兆松的身影不停地在檢測車間與工藝車間穿梭。每根燃料棒焊接結構復雜、焊縫數量多,每一道焊縫都必須經過多項檢測項目的檢驗。為了使現場的效率提升到最大,他總是及時協調解決現場的每一個技術細節與進度問題。

  2018年11月14日,在中核北方壓水堆元件廠組裝車間,首套全尺寸壓水堆環形燃料組件試驗件骨架與燃料棒準備就緒,進入組件組裝的最后環節。在組件組裝的全過程中,從廠長、車間主任、技術骨干到每一位實施操作的工人,都凝心靜氣,認真再認真地做好每一步工作。關注著現場每一步操作的廠長楊光宇說:“前面的環節都是部件環節,出現問題可隨時調整,心里還是有底的。這是第一套組件的組裝,雖然經過了周密的分析計算與試驗,可對這個大家伙能不能立起來,說實話,我們的心里是懸著的……”隨著燃料棒一根根推入骨架的完成,大家都覺得勝利在望。但就在此時,組件組裝裝置出現尺寸精度控制的問題,負責裝置調試的技術人員反復調整,仍達不到理想的效果,心中不免有些急躁與氣餒。心里也沒底的楊光宇鼓勵技術人員:“關鍵時刻不能亂,思路要清楚。”分析原因、排查原因、進行微調,到第二天凌晨,問題終于解決。組件在組裝車間豎立起來的那一刻,大家仰望著約4米長的組件,臉上出現了欣慰的笑容。

  就這樣,國內首套具有完全自主知識產權的、新一代高性能壓水堆環形燃料組件試驗件在他們手中完成制造,標志著中核北方打通了壓水堆環形燃料組件研制的關鍵環節。(趙瑞瑞)

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