核燃料元件生产技术与发展探讨

尚改彬

（中国核电工程有限公司，郑州450052）

1 我国现状

由于反应堆的不同，其堆芯设计的核燃料元件不同，需要的专用制造生产线不同，检测控制要求也不同。从试验堆（重水或压水、池式堆等）到后来以发电为主的压水堆、重水堆、高温气冷堆、快堆等，虽然是同一种堆型，但是有各自机型的应用产品，相应的生产装置也各有特色，生产线中要考虑的制造问题亦如此。我国“华龙一号”压水堆核电站也研究开发出了自己的CF 系列燃料元件，基本上每种核燃料元件都有相应的加工工艺、装备以及检测要求，因此，除化工转化、生产制备二氧化铀粉末线和加工车床等设备是共用之外，其密封包装都是专线专用，专用设备，互相不通用。因此，建立了几种不同的生产线，不同堆型有不同生产线，主要包括压水堆与重水堆和高温气冷堆等元件生产线，甚至不同机型有不同生产线，如压水堆的美国堆AP 系列元件和法国堆AFA 系列元件生产线。

2 发展需求

核燃料元件生产随着用户的需求而扩大，我国提出的思路是“在安全基础上大力发展核电”，并扩大核燃料元件的生产能力，这对于我国的核电发展既是机遇又是挑战。我国国内核电堆型机型多，各种产品需求不一，且品种多样，因此，提出了柔性线的想法，即用一条生产线同时生产多样产品。专家进行了若干研究，至今仍在研究中，这种策划必须打破原来的思路，因此，其难度很高，并且需要大量的资金投入。

3 研发生产

目前，我国燃料元件生产主要集中于宜宾与包头2 个厂商，其他由试验室规模生产。宜宾主要生产压水堆元件AF 系列（法国机型）、QSI 系列（称CF1，国产）、VVER 系列（俄国机型）及其他试验用元件，产能850t 铀/a。包头主要生产重水堆CANDU（加拿大机型），生产压水堆元件AF 系列（法国机型）、AP 系列（美国机型），并生产高温气冷堆HTGR 系列（国产），产能1200t 铀/a。

元件产品的研发与反应堆研发紧密结合，现在主要研发单位是中国核动力研究院、中国原子能研究院、上海核工程研究设计院等，清华大学、中国科学院、中广核研究院等机构进行相关研究，但研究方向各有特色。

元件生产工程设计由中国核电工程有限公司完成，并进行相关生产工艺与装备研究开发，承担了所有国内规模生产线的设计及一些设备国产化研究，同时进行了生产和制造的研究工作。

4 MOX燃料

MOX 燃料是含铀含钚的氧化物燃料元件，也有以其他金属的混合氧化物为燃料的。由于钚材料极毒强放射性、临界风险大、加工难度大，因此，技术仍在发展阶段。国际上该技术较为成功的有法国、比利时、俄国等国家，美国、印度、日本和韩国等国家在研究开发阶段[1]。

MOX 燃料用于压水堆中时，因为用了含钚材料，其堆芯和防护需要相应地进行改造设计，并且运行单位要对质量安全负最终责任，因此，需要获得运营单位的认可。由于MOX 燃料成本高，国际上应用MOX 燃料多是从技术突破角度考虑，没有单纯从经济利益考量，许多国家的反应堆已经用了一定比例的MOX 燃料。

我国有意发展钠冷快堆技术，示范堆已列入建设计划，MOX 燃料生产建设一并启动，其研发设计和生产运营正在开展中[2]。

5 技术进展

核燃料元件制造生产大体分为3 段：前段为制备二氧化铀和二氧化钚粉末；中段为成型烧制成芯块；后段为密封包装，同时有零部件加工和高性能检测试验装置。由于HTGR 系列等产品形式不同，其生产有独特的工艺，其流程在一定程度上相类似。

前段制备二氧化铀粉末，即从转化厂的来料六氟化铀经气化水解氢化还原制备成二氧化铀粉末。常用的有ADU 法（重铀酸铵沉淀法）、AUC（三碳酸铀铣铵沉淀法）法和IDR（综合干法）。ADU 法和AUC 法因为用到铀溶液，均称湿法，国内技术已成熟并被改进，与世界水平同步。IDR 法又称干法，该方法流程短、设备少、自动化控制产品品质稳定，优点明显，国内近年来已研制出干法GFX-200 生产线并推广应用，经济效益和社会效益显著，技术上的突破使技术水平达到世界先进行列。

中段成型烧制，即将二氧化铀粉末添加剂制粒压制成型，一般是铅笔粗细的短节，根据需要确定中间是否留孔，送烧结炉高温烧结，一般温度为1 750℃，出料根据需要加磨床达到要求的直径和尺寸要求。目前，国内制粒机压机烧结炉磨床等均可国产，但在质量、可靠度等方面与国际知名厂家仍有差距。

后段密封包装中，焊封技术与焊接工艺密切相关，有普通TIG 焊接、钎焊、压力电阻焊、电子束焊、激光焊接等多种焊接方法。组装技术如骨架格架及其胀结技术、焊接技术等均有自主技术。对如高温气冷堆等用燃料元件采用弥散体核芯颗粒类包覆穿衣和压球多层包覆技术，试验中板状金属元件设计为复合轧制和复合共挤压等密封包覆技术。

零部件加工和高性能检测试验装置包括生产线上的自动控制和分析检测设备等，生产线以自有技术为主，采用部分国际厂家设备，结合生产线的特点进行设计，使生产线水平达到了世界先进行水平。

6 规范发展

对于将来一段时间的国内及国际市场需求，许多部门进行了研究和预测。现在多种产品及材料生产，均能够自给。由于内外市场压力，有些生产量很小，生产线建成后多年未能达产。多数产品生产，工艺技术成熟可靠，能够保证供给，唯不可独代的关键设备可靠性和高品质，至为关键，亦为突破之迫切重点，现在产能足够，能够满足市场需求。但是，生产新型考验用产品时，由于非量产，通过局部改造措施可顺利完成，而大批量新型产品的生产，目前还需要规划，关键之点是路线尚在探索中，究竟要生产什么样的产品以及其形式与规格，这是迫切需要确定的。

7 结语

目前，各核燃料元件生产厂的生产定位与发展需要总体考虑与论证，其成熟度相差很大，有的已经成熟多年，有的还是一片空地，甚至土地还未完成使用手续，其投资和技术人员更应充分考虑，对项目确立与关键工艺需考虑全面。在发展探索中，有很多部门、机构和专家参与，且专家背景不同，定位各异，因此，需要进行论证，善于听取专家声音，抓主流和主要问题，解决关键问题。在策划之初，结合项目需求，确定项目方案及构架，以技术和政策为基础和依据，考虑经济性和先进性等，根据项目的特点，确定接口以便实施。