核燃料龙头的自动化试水

余娜

秋末冬初，金灿灿的芦苇随风摇摆，舞动着专属西北特色的美景。艳阳高照，洒向赛汗塔拉城中草原深处挺拔的敖包，寒意愈发浓烈。

在距离这片全世界最大的城中草原以北10公里处，占地12平方公里的中核北方核燃料基地机器轰鸣，为越发寒冷的原野带来些许暖意。

这里，是始建于1958年的北方核燃料大本营——中核北方核燃料元件有限公司（又称“202厂”）的所在地。它不仅是我国首个核燃料元件和核材料生产科研基地，也是目前国内唯一一家具备CANDU-6型重水堆、重水堆钴调节棒、AFA3G压水堆、AP1000压水堆和高温气冷堆5条核电燃料元件生产线的全国核电燃料品种最全的生产企业。

“在保持军品科研生产的基础上，中核北方先后建成了重水堆、压水堆、AP1000和高温气冷堆核电燃料元件生产线，形成了军工核燃料和核电燃料元件多元化的产业格局。” 中核北方核燃料元件有限公司执行董事、总经理马文军向《能源》记者介绍。

进入新世纪，202厂大举进入民用核电燃料元件生产领域，已建和在建的生产线达5条。5条生产线又涵盖了从“二代加”到三代、四代主要核电技术的燃料元件需求。

在信息化、数字化、智能化飞速发展的今天，我国这一传统的核燃料元件供应基地也在面临新的考验。

自动化提速

进入中核北方厂区前，一座高达18米的厂标雕塑毅然矗立。这一独特的建筑原型正源于该厂的立足之本——核燃料元件。笔挺直立的压水堆燃料组件模型屹立中央，重水堆燃料元件棒束缠绕其身，代表着第四代高温气冷堆燃料的球状元件则置于最顶端。

随后，在每进入一个生产车间，《能源》记者都被要求换上工作人员事先准备好的白大褂、手套、鞋套、安全帽，甚至是护目镜。“这是为了防止外来人员将杂质或粉尘带入生产车间，以保证燃料元件的清洁度。” 中核北方核燃料元件有限公司总经理助理、重水堆核燃料元件厂厂长张杰解释。

“金黄色的ADU（重铀酸铵）分解还原后变成灰黑色的二氧化铀粉末，经过压制成为芯块生坯。通过生坯上下料自动工作站完成码垛后，生坯由AGV自动转运车转至下个工序，再经过22个小时的烧结，二氧化铀芯块便基本成型。之后，通过在线检测系统进行筛选，并完成烘干、磨削、装管、端塞焊接等自动化环节，最终形成燃料棒束。”在重水堆厂的化工车间，张杰介绍。

2002年，中核北方建成了我国唯一一条重水堆核电燃料元件生产线，截至目前，已连续为秦山三期两台重水堆核电机组提供了燃料棒束14万只。

在芯块车间，《能源》记者被外形靓丽的一台比利时R53及一台国产芯块旋转压机吸引。粉末装填、进模具、上下挤压、生坯、脱模出料，短短一分钟，这些过程一气呵成。

“一台芯块旋转压机每分钟能压110个芯块，大大节省了劳动力，提高了生产效率。”张杰介绍，“2007年，我们便联合北京一家压机厂研制生产出了新型的国产压机，并成功应用于芯块压制。”

在控制中心，能够自动识别、自动探测障碍物、自动搬运燃料芯块的AGV机器人再次吸引了记者的注意。

整理货架、识别障碍物、搬运生坯、自动充电，加上稍显萌态的外形模样，在旁观察十余分钟，记者不禁为眼前这台AGV机器人憨态可掬、任劳任怨的模样所驻足。

“AGV机器人，也称小黄人，是由国内最大的机器人制造商和集成商沈阳新松生产制造，是芯块制备自动化系统升级后的产物，目前根据使用需求投入使用3台。后期，在压水堆车间、高温堆车间也会相继投入使用。”在重水堆车间的控制中心，张杰指着屏幕上的实时画面向记者介绍，“公司的自动化推进策略是由点到面、由易到难。”

据悉，除了重水堆燃料元件生产线外，2010年AFA3G压水堆核电燃料元件生产线投运，开始为秦山二期、方家山等核电站提供核电燃料组件。

2012年3月28日，我国唯一的一条AP1000核电燃料元件生产线在中核北方开工建设。就在《能源》记者实地探访的两周前，AP1000核电燃料元件生产线刚刚完成生产线产品合格性鉴定，具备生产AP1000燃料组件的能力。

2013年3月，国家重大科技专项高温气冷堆核电站示范工程的配套工程，具有我国自主知识产权的高温气冷堆核电燃料元件生产线，也在该厂开工建设。

“作为我国自主产权和技术应用实践的厂房，整个高温气冷堆车间仅有一台进口的设备，就是来自德国克莱默的烧结炉。” 在高温气冷堆生产车间，该厂厂长助理郑跃告诉《能源》记者，“从燃料包覆到燃料球压制再到车削加工，我们均使用了DCS系统，力争实现全流程的自动化。”

据悉，目前该车间年生产的33直供山东荣成石岛湾高温气冷堆的示范验证堆使用。“这条生产线的年产量并不算高，但我们更看重它的示范意义和未来前景。”

挑战依存

作为核电站核心部件，核燃料组件的质量将直接影响核电站的安全性、可靠性和经济性。

据悉，自动化改进之前，点焊、钎焊、涂石墨、端塞焊、芯块制备、燃料球压制车削、核芯烧结等工序的上料、转运、加工、下料等环节全部为人工操作，由于人为原因造成的产品质量的波动，成为难以避免的因素。

“在设备系统改进、生产效率提升、人力资源节约的内部需求和加拿大、美国、法国等燃料生产线自动化水平相对较高的行业竞争态势下，我们紧跟中国制造2025、工业4.0国家重点发展规划的步伐，从2012年开始系统实施燃料元件生产线设备、系统自动化升级改进。” 马文军说，“自动化系统投入使用后，共节约岗位操作人员56人。按人力成本每年13.8万元计算，每年人力资源成本节约772.8万元。”

“以重水堆核燃料生产线为例，设备系统运行已超过14年，设备自动化程度较低，大多数设备为纯手工操作，效率低、占用人员多、可靠性差。”张杰介绍，“通过设备系统的自动化改进升级，预计到2017年，整个生产线生产运行及管理人员将不超过300人，主工艺生产线人员配备将少于200人，初步实现1吨铀/人/年的目标。”

事实上，作为在建核电项目最多的国家，中国一直致力于将核燃料加工产业打造成为“一站式”平台。

除中核北方外，地处四川宜宾，享有“南方核燃料基地”之称的中核建中燃料元件公司也在积极推进二代加压水堆及三代主流核电技术“华龙一号”CF系列核燃料元件的制造任务。

与此同时，为满足未来更多核电项目的用料需求，一南一北两个全新的核燃料产业园规划建设蓝图也在紧锣密鼓的进行中。

然而，一个不争的事实是：目前国内在运的核电机组中，除秦山一期核电站之外，其余核电机组所使用的燃料组件技术，均从核电技术出口国引进。虽然国内具有完全自主知识产权的四代高温气冷堆核燃料技术已经起步，但还仅限于示范实验阶段，未进行商业化应用。

“尽管我们已经实现了大型核电站燃料元件的国产化，但制造技术仍未形成自己的技术体系，产品缺乏自主品牌，如燃料包壳及格架等在内的一些关键原材料还要依赖进口。”一位不愿具名的能源专家向《能源》记者表示。

与此同时，也有专家分析，随着中国广东核电集团自主研发设计的4组STEP-12核燃料组件和4组CZ锆合金样品管组件辐照考验结束，以及在海外哈萨克斯坦谋求建设核燃料组件厂规划的落地，都意味着国内核燃料市场供应格局将会进一步优化。