核燃料元件生產技術與發展探討

尚改彬

（中國核電工程有限公司，鄭州450052）

1 我國現狀

由于反應堆的不同，其堆芯設計的核燃料元件不同，需要的專用制造生產線不同，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品，相應的生產裝置也各有特色，生產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，除化工轉化、生產制備二氧化鈾粉末線和加工車床等設備是共用之外，其密封包裝都是專線專用，專用設備，互相不通用。因此，建立了幾種不同的生產線，不同堆型有不同生產線，主要包括壓水堆與重水堆和高溫氣冷堆等元件生產線，甚至不同機型有不同生產線，如壓水堆的美國堆AP 系列元件和法國堆AFA 系列元件生產線。

2 發展需求

核燃料元件生產隨著用戶的需求而擴大，我國提出的思路是“在安全基礎上大力發展核電”，并擴大核燃料元件的生產能力，這對于我國的核電發展既是機遇又是挑戰。我國國內核電堆型機型多，各種產品需求不一，且品種多樣，因此，提出了柔性線的想法，即用一條生產線同時生產多樣產品。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 研發生產

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

元件產品的研發與反應堆研發緊密結合，現在主要研發單位是中國核動力研究院、中國原子能研究院、上海核工程研究設計院等，清華大學、中國科學院、中廣核研究院等機構進行相關研究，但研究方向各有特色。

元件生產工程設計由中國核電工程有限公司完成，并進行相關生產工藝與裝備研究開發，承擔了所有國內規模生產線的設計及一些設備國產化研究，同時進行了生產和制造的研究工作。

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，技術仍在發展階段。國際上該技術較為成功的有法國、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計，并且運行單位要對質量安全負最終責任，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 燃料多是從技術突破角度考慮，沒有單純從經濟利益考量，許多國家的反應堆已經用了一定比例的MOX 燃料。

我國有意發展鈉冷快堆技術，示范堆已列入建設計劃，MOX 燃料生產建設一并啟動，其研發設計和生產運營正在開展中[2]。

5 技術進展

核燃料元件制造生產大體分為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 系列等產品形式不同，其生產有獨特的工藝，其流程在一定程度上相類似。

前段制備二氧化鈾粉末，即從轉化廠的來料六氟化鈾經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，國內技術已成熟并被改進，與世界水平同步。IDR 法又稱干法，該方法流程短、設備少、自動化控制產品品質穩定，優點明顯，國內近年來已研制出干法GFX-200 生產線并推廣應用，經濟效益和社會效益顯著，技術上的突破使技術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，根據需要確定中間是否留孔，送燒結爐高溫燒結，一般溫度為1 750℃，出料根據需要加磨床達到要求的直徑和尺寸要求。目前，國內制粒機壓機燒結爐磨床等均可國產，但在質量、可靠度等方面與國際知名廠家仍有差距。

后段密封包裝中，焊封技術與焊接工藝密切相關，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。組裝技術如骨架格架及其脹結技術、焊接技術等均有自主技術。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，試驗中板狀金屬元件設計為復合軋制和復合共擠壓等密封包覆技術。

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

6 規范發展

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

7 結語

目前，各核燃料元件生產廠的生產定位與發展需要總體考慮與論證，其成熟度相差很大，有的已經成熟多年，有的還是一片空地，甚至土地還未完成使用手續，其投資和技術人員更應充分考慮，對項目確立與關鍵工藝需考慮全面。在發展探索中，有很多部門、機構和專家參與，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，解決關鍵問題。在策劃之初，結合項目需求，確定項目方案及構架，以技術和政策為基礎和依據，考慮經濟性和先進性等，根據項目的特點，確定接口以便實施。