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记中核北方研制压水堆环形燃料组件的那些人和事
文章来源:中国核工业报 日期:2019年04月24日

  环形燃料组件是一?#32440;?#26500;上完全革新的先进燃料组件,环形的燃料?#31350;?#20855;有“温度低、储能少”的特点,在正常运行工况与事故运行工况下,一定程度上提升了?#20174;?#22534;的固有安全性经济性。作为压水堆先进燃料组件的重要发展趋势,环形燃料组件的发?#25925;?#21040;了国际和国内业界的重点关注。

  中核集团作为我国核工业发展的龙头企业,2008年启动了环形燃料组件研发项目,全面建立了环形燃料组件研发体系。项目组织实施由中国原子能工业有限公司负责,燃料组件设计和试验验证由中国原子能科学研究院负责,而燃料组件制造技术研究和开发的重任,落到?#21496;?#26377;60年核燃料研制历史的中核北方核燃料元件有限公司身上。

  2018年11月,我国具?#22411;?#20840;自主知识产权的新一代高性能核燃料元件——压水堆环形燃料组件研制取得重要突破:国内首套具?#22411;?#20840;自主知识产权的全尺寸环形燃料组件试验件研制成功。目前,中核北方正在进行制造技术的进一步优化与验证,根据设计要求研制一系列关键部件试验件与组件试验件,全力推进项目实施。

  拓荒·开启新型燃料研发之旅

  2010年,原子能院将环形燃料棒初步设计图纸交到中核北方技术人员的手中。制造是让“设计?#21271;?#25104;现实的过程,环形燃料组件革新性的结构设计无疑给“制造”带来?#21496;?#22823;的挑战。“敢啃硬骨头、敢打硬仗?#20445;?#36825;是中核北方人的传统。面对环形燃料组件初步设计图纸,中核北方技术人员有底气,选择迎?#35759;?#19978;。

  结合我国现有核燃料元件制造工艺,中核北方技术团队从环形燃料元件的原辅材料的供应能力、制造工艺、组装与焊接工艺、临界安全、辐射防护安全等方面入手,分析研究制造的可行性。经反复工艺试验、计算与分析,一个个设想逐渐成型:环形?#31350;?#21387;制成型模具设计有了思路,并研制成功了尺寸?#32454;?#30340;环形二氧化铀?#31350;椋?#29615;形燃料组件焊接工艺可行性研究初步确定,制备了燃料短棒样品……这一切都论证了环形燃料组件制造的可行性,更坚定了设计者的信心。

  讲起这段拓荒历程,中核北方冶金研究所所长魏东波如数家珍:“当?#21271;?#30475;是一个小短棒,焊缝也不怎么漂亮,但想了很多办法,动了很多脑筋,能焊出来就是创新。”

  随着研究工作的一步步深入,2014年,压水堆环形燃料组件二氧化铀环形?#31350;欏?#23450;位格架、导向管部件、管座、骨架等详细设计图纸与技术条件一一“出炉?#20445;?#29420;特的整体结构与全新的细节尺寸设计及组件制造质量的高要求,使环形燃料组件的研制早已超出常规意义上的工艺流程的设计变化与工艺参数的摸索,中核北方技术团队面对的是新型组件制造体系的建立。制造工艺装备的设计研制、制造工艺方法的开发、多种尺寸规格锆合金主要原材料的制造等等,所有的一切对这个团队提出了全方位的挑战。

  拿到组件详细设计图纸后,中核北方充分发挥“老厂”优势,调动厂内各方资源,开始分头攻关。中核北方压水堆元件厂组装车间技术员刘杰、魏启飞承担的任务是骨架组装装置与组件组装装置这?#25945;字?#37327;级专用工艺装备的研发工作。

  环形燃料组件与棒状燃料组件相比结构设计差异很大,工艺装备研发的很多工作流程、关键参数的设计均无经验可以借鉴,只能通过充分的试验、计算、分析来确定。

  骨架组装装置研制工作是个不小的挑战。骨架焊接电极、焊接支撑杆等关键部件的尺寸设计与加工精度直接关系到最?#23637;?#26550;焊接的质量。因此,装置加工过程中,刘杰多次前往装置制造厂商,关注设计与加工过程中的每一个细节,采用短管试验件多次测?#38498;附硬?#25968;,确保万无一失。

  与此同时,组件组装装置的设计方案面临“难产”。“组件组装是组件制造的最后一步,存在很大的技术风险,绝不可以掉以轻心。”负责组件组装装置研制的魏启飞慎之又慎。他详细分析图纸的设计尺寸与技术要求,与设计方、装置制造厂进行多次交流,才确定了最终的设计方案。“记得有一次与装备制造厂代表一同去找设计方交流技术方案,从早上进会议?#19994;教?#35770;完,天都黑了。过程非常激烈,大家都忘了时间,设备厂家代表说这是他出的最充实的一次差,我说这是我们一贯的节奏。”魏启飞谈到组件装置设计的过程时神采飞扬,难掩对自己工作的热爱与?#38498;馈?#38500;此以外,中核北方还设计研制了环形燃料双包壳燃料棒焊接装置、定位格架焊接装置等专用工艺装备,全面建立了开展全尺寸压水堆环形燃料组件研制的装备能力。

  摸索·突破新型燃料研发瓶颈

  环形燃料组件研制中,工艺技术难点的突破是一个需要长期摸索的过程。环形二氧化铀?#31350;欏?#29615;形燃料棒、定位格架这三个关键部件的研制最具代表性。

  “环形二氧化铀?#31350;?#20869;外径尺寸精度要求非常高,对于陶瓷性质的材料来说控制?#35759;确?#24120;大。”中核北方冶金研究所负责环形?#31350;?#30740;制的技术人员刘文涛说。设计了一套套成型模具,开展了一轮轮工艺试验,经过了一次次失败的尝试,他们选择出最优化的工艺方案组合,开展多批次环形?#31350;?#30340;制备工艺串联与验证试验,他们确保了工艺的稳定性。

  燃料棒的焊接质量一直是燃料组件质量控制的重中之重。中核北方冶金研究所焊接技术员鲁?#24049;?#26500;?#35760;?#22937;,精心设计了焊接工装与燃料棒的相对运动方式,研制了专用焊接工装和?#33455;撸?#23454;现了双包壳燃料棒的焊接。

  环形燃料定位格架制造过程包括栅元与条带冲制、组装、焊接等多道工序,每道工序对定位格架产品的尺寸、性能?#29123;?#26415;指标影响都很大,需通过大量的产品试制、数据分析、工艺及工装调整才能研制出满足设计要求的定位格架,解决冲制过程中出现的尺寸精度达不到要求、冲制裂?#39057;任?#39064;。研制带来了不小的检测工作量。每当压水堆元件厂负责冲制的技术人员李建伟带着冲制出来的栅元试验样品?#22270;?#26102;,理化检测中心的调度葛藤都会习惯性地问一下:“又是全尺寸检测?”一个个栅元图纸上的标注尺寸有几十个,针对?#32531;细?#23610;寸的一次次修模,可能牵?#29615;?#32780;动全身,必须经由大量的试验件重复检测提供准确的结果,才能指导工艺下一步工作的方向。就是经过这样一次次的冲制试验—检测—修模、调整参数—冲制试验—再检测的过程,才使得定位格架越来越接近设计标准与要求。

  多种尺寸规格的锆合金原材料的制造也是环形燃料组件研制过程中需解决的关键问题。为了保证组件研制质量与项目整体实施进度,中核北方与锆材制造厂在技术确认、质量管控方面?#32454;?#25191;行质量管理要求。在锆材制造过程中,中核北方全程派专人进行质量监造,现场实时跟踪和解决出现的技术和质量问题,保证了原材料的按期交付,为后续组件研制提供了保障。中核北方派驻锆材制造厂的监造人员徐卫东?#25285;骸安?#26009;?#32454;?#26159;组件研制?#32454;?#30340;第一关,我就是要在现场把好关,不能把质量风险留给组件制造?#26041;凇!?/p>

  作为?#28304;?#32479;燃料元件的进一步发展,环形燃料组件的研发是设计与制造迭代反馈的过程,凝结着制造方与设计方共同的心血。在组件设计过程中只有不停地尝试、验证、修正,才能固化出一?#36164;?#20110;自己的设计与制造工艺。

  承担环形燃料组件下管座研制工艺试验的王耀华是中核北方压水堆元件厂机?#23548;?#24037;车间的主任。他在开展下管座机?#23548;?#24037;工艺验证试验时发现,采用整体加工管座,支腿处无法清根。于是他向设计方提出了采用分体机?#23548;?#24037;与支腿焊接组装的工?#31456;?#32447;,并开展了充分的试验,得到了设计方的认可。王耀华?#25285;骸?#35774;计?#26041;?#21487;能存在工艺实?#20013;?#30340;问题。如果根据我们的初步分析,一些设计方案的工艺实现出现了技术难点,也不能轻易否决设计的可行性。我们自?#21512;?#21150;法寻找新的工?#31456;?#32447;与工艺方法,反馈给设计人?#20445;?#36825;样才能保证环形燃料组件设计的创新性。”压水堆元件厂生产计划科科长崔振波?#25285;骸?#25105;?#20999;?#35201;针对不同的设计方案研制不同的工装,并且试验件加工数量、种类也比较多,增加了研制过程投入的精力、时间与成本。但我们相信这些投入对于环形燃料的研发是不可或缺的,不仅是为设计定型提供支持,也是对制造工艺不断验证与完善的过程。”

  中核北方在制造?#26041;?#23436;成了对工艺可实?#20013;?#30340;验证,使得设计不断完善,在保证组件性能与高质量制造的同时,增加了制造工艺自由度,也为组件工程化制造奠定了基础。

  收获·掌握新型燃料研发绝技

  2018年,在前期努力攻克一系列关键部件制造技术的基础上,随着全尺寸组件研制用大批量锆材等原材料的到厂,首套全尺寸压水堆环形燃料组件试验件研制工作正式启动。该套组件将用于整体组件的机械性能研究与水力冲刷性能研究,对环形燃料组件设计验证工作意义重大,整体项目进度要求时间紧?#21462;?/p>

  为了保证按期完成全尺寸组件研制任务,中核北方充?#20540;?#21160;公司内部的各项资源,合理制定研制进?#29123;?#21010;,在各工序间达到“无缝衔接”。其它生产任务的工作?#25165;?#24050;经满负荷,单独抽出人员来进行组件研制,人力方面会显得极为紧?#20445;?#20110;是各单位实?#26032;?#20540;制,尽力?#25165;擰?#22788;理妥当手头上的工作,各单位研制进?#29123;?#21010;细化到每个班次,抽出一名管理人员来实时跟踪,随时协调研制过程中出现的问题。在近一个月的攻坚时间里,“忘我拼搏,撸起袖子加油干”成为研发一线技术人员和管理人员的信条。

  中核北方冶金研究所燃料棒组装焊接现场,端塞组装、?#31350;?#35013;管、焊接等各工序按?#25112;?#25293;有条不紊地进行,操作员工争分多秒,各司其职。冶金研究所科研管理科的王兆松负责燃料棒研制的现场调度,“每天打数不清的电话,时间太紧张了。只有一个想法,就是保?#26102;A客?#25104;燃料棒研制,交付给组件组装工序,绝不影响组件最终交付。”那个时候,王兆松的身?#23433;?#20572;地在检测车间与工艺车间穿梭。每根燃料棒焊接结构复杂、焊缝数量多,每一道焊缝都必须经过多项检测项目的检验。为了使现场的效率提升到最大,他总是及时协调解决现场的每一个技术细节与进?#20219;?#39064;。

  2018年11月14日,在中核北方压水堆元件厂组装车间,首套全尺寸压水堆环形燃料组件试验件骨架与燃料棒准备就绪,进入组件组装的最后?#26041;凇?#22312;组件组装的全过程中,从厂长、车间主任、技术骨干到每一位实施操作的工人,都凝心静气,?#38505;?#20877;?#38505;?#22320;做好每一步工作。关注着现场每一步操作的厂长杨光宇?#25285;骸?#21069;面的?#26041;詼际?#37096;件?#26041;冢?#20986;现问题可随时调整,心里还是有底的。这是第一套组件的组装,虽然经过了周密的分析计算与试验,可对这个大?#19968;?#33021;不能立起来,说实话,我们的心里是悬着的……”随着燃料棒一根根推入骨架的完成,大家都觉得胜利在望。但就在此时,组件组装装置出现尺寸精度控制的问题,负责装置调试的技术人员反复调整,?#28304;?#19981;到理想的效果,心中不免有些急躁与气馁。心里也没底的杨光宇鼓励技术人?#20445;骸?#20851;键时刻不能乱,思路要清楚。”分析原因、排查原因、进?#24418;?#35843;,到第二天凌晨,问题终于解决。组件在组装车间竖立起来的那一刻,大家仰望着约4米长的组件,?#25104;?#20986;现了欣慰的笑容。

  就这样,国内首套具?#22411;?#20840;自主知识产权的、新一代高性能压水堆环形燃料组件试验件在他们手中完成制造,标志着中核北方打通了压水堆环形燃料组件研制的关键?#26041;凇#?#36213;瑞瑞)

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