【奮進(jìn)新征程 央企這十年】中核集團(tuán)原子能院：“小”微堆成就“大”力量
【奮進(jìn)新征程 央企這十年】中核集團(tuán)原子能院：“小”微堆成就“大”力量
【奮進(jìn)新征程 央企這十年】中核集團(tuán)原子能院：“小”微堆成就“大”力量
文章來源：中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司 發(fā)布時間：2022-10-26
三十多年前，可能很多人不曾想到，小小的微堆（微型中子源反應(yīng)堆）會成為我國反應(yīng)堆“走出去”的起點。20世紀(jì)八九十年代，從微堆研制、開發(fā)到商業(yè)推廣應(yīng)用，中核集團(tuán)原子能院人經(jīng)歷了一段從艱苦創(chuàng)業(yè)到創(chuàng)造輝煌的歷程，在國內(nèi)外先后設(shè)計建成9座微堆，為國家創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近十年來，作為我國和平利用原子能的窗口，微堆低濃化改造項目又在國際舞臺上大放異彩。
我國第一座微型中子源反應(yīng)堆
攻堅迎挑戰(zhàn) 助力全球核安全
“在過去，微堆都是使用高濃鈾作為燃料，而燃料棒一旦流失，就可能造成核材料擴(kuò)散。”中核集團(tuán)原子能院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所微堆低濃化項目負(fù)責(zé)人李義國表示。國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）曾多次提出，希望對微堆燃料實施低濃鈾轉(zhuǎn)化，并建議首先在原子能院微堆上進(jìn)行高濃鈾的低濃化轉(zhuǎn)換實驗。
微堆低濃化，是指在不改變堆芯尺寸的情況下，用低濃鈾燃料替代高濃鈾燃料，轉(zhuǎn)化后仍利用原有筒體裝料運(yùn)行。改造后的微堆可以滿足原微堆的所有功能，同時固有安全性能更好，燃料使用壽命更長。而這些對于物理設(shè)計、燃料組件設(shè)計制造、裝卸料、實驗調(diào)試等諸多環(huán)節(jié)，都提出了更高的要求。
從2006年開始，微堆研究室團(tuán)隊就多次參加IAEA組織的微型反應(yīng)堆低濃化會議，對微堆低濃化的可行性進(jìn)行計算和分析，并組織對我國第一座微堆——原型微堆開展低濃鈾堆芯的物理設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作。
由于低濃鈾堆芯的燃料芯體和包殼材料與之前不同，其熱工、物理性能等均有較大變化，需要重新進(jìn)行物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，因為只能受限于原有堆芯空間作出合理調(diào)整，這大大增加了設(shè)計難度。
通過反復(fù)的理論計算和力學(xué)分析，研究團(tuán)隊最終的低濃鈾堆芯設(shè)計做到了“兩全其美”，能夠同時滿足物理和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。
然而，從設(shè)計成功到付諸實踐，仍有很長一段路要走。低濃鈾燃料作為微堆的核心部件，其加工制造是實現(xiàn)微堆低濃化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原子能院研究團(tuán)隊調(diào)研了國內(nèi)多家反應(yīng)堆燃料生產(chǎn)廠家，僅有一家可實現(xiàn)供貨，而有限的加工工藝水平也對堆芯設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。經(jīng)過團(tuán)隊的反復(fù)論證和修改，低濃鈾的設(shè)計方案終于得以出爐。
原子能院微堆低濃化項目團(tuán)隊
團(tuán)結(jié)創(chuàng)合力 勇挑大梁擔(dān)重任
一個優(yōu)秀的團(tuán)隊會產(chǎn)生無盡的凝聚力，即便遇到再大的困難，也能團(tuán)結(jié)一心、全力攻克。低濃鈾燃料加工制造完成后，團(tuán)隊成員馬不停蹄地進(jìn)入到安裝調(diào)試階段。
值班長是微堆零功率實驗的核心人物，全面負(fù)責(zé)整個實驗，需要在出現(xiàn)突發(fā)狀況時做出正確判斷，由于每班次的實驗要求都不相同，因此他們需要始終保持注意力高度集中；物理員負(fù)責(zé)實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)測和記錄，還需完成堆芯的物理操作，他們用手在冷水中反復(fù)拿取小尺寸的燃料元件，長期浸泡加上操作后的頻繁清洗，幾乎每個人的手上都裂開了一道道口子，他們?nèi)匀幌瘛袄C花”一般謹(jǐn)慎細(xì)致地操作；實驗布置和部件裝配人員，受限于實驗堆坑尺寸的狹小擁擠，需要趴在筒體上才能探身用手將結(jié)構(gòu)部件調(diào)整合適……
在夜以繼日的工作節(jié)奏下，加班早已是家常便飯，高強(qiáng)度的工作對每個人的體力和腦力都是很大的考驗，但大家都全心全意投入其中，從實驗、維修、應(yīng)急等各方面做好準(zhǔn)備，確保裝置的正常運(yùn)行和實驗的順利開展。最終，低濃鈾堆芯的零功率實驗圓滿完成，為實施原型微堆低濃化改造奠定了基礎(chǔ)。
由于高濃鈾乏燃料具有很強(qiáng)的放射性，并且只能經(jīng)由堆筒體頂部卸出，相應(yīng)的裝卸料技術(shù)在國際上沒有參照。同時，低濃化改造也對反應(yīng)堆實驗技術(shù)提出了新的要求。面對這一系列難題，研究團(tuán)隊?wèi){借在微堆設(shè)計、建造、運(yùn)行與實驗等方面長期積累的技術(shù)經(jīng)驗，研發(fā)了一整套低濃化轉(zhuǎn)化技術(shù)，并成功應(yīng)用于原型微堆低濃化改造。
2016年3月，原型微堆低濃化改造順利完成，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，也為國內(nèi)外微堆低濃化改造提供了重要依據(jù)，積累了測量和試驗數(shù)據(jù)。在原型微堆低濃化改造成功實施后，其他微堆用戶的低濃化改造工作也有序展開。
合作尋共贏 踐行大國莊嚴(yán)承諾
微堆低濃化工作不單是在科學(xué)的世界里探求真諦，還需在多方合作的進(jìn)程中尋求共贏，用科學(xué)的態(tài)度攻克一個個技術(shù)難關(guān)，以協(xié)同的方式獲得一次次非凡成就。
加納微堆是原子能院1995年設(shè)計建成的一座高濃鈾微堆，其低濃化改造受到中國政府和國際社會的高度重視。在國際原子能機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)下，2014年，加納、中國和美國共同推進(jìn)加納微堆低濃化改造項目，中國負(fù)責(zé)提供低濃鈾燃料、承擔(dān)零功率實驗和現(xiàn)場技術(shù)支持等工作。
原子能院技術(shù)人員在加納現(xiàn)場進(jìn)行裝料操作
2017年當(dāng)?shù)貢r間8月10日上午12:27，加納微堆成功實現(xiàn)滿功率運(yùn)行；8月29日，載有我國首座海外商用微堆高濃鈾燃料的專機(jī)緩緩降落于河北石家莊正定國際機(jī)場。22年前離開原子能院前往加納的高濃鈾燃料完成它的歷史使命，終于“回家”了。
至此，加納微堆低濃化改造項目圓滿收官。中國踐行了在核安全峰會上的莊嚴(yán)承諾，為國際防止核擴(kuò)散作出重要貢獻(xiàn)，彰顯了中國能力和中國責(zé)任。該工作所創(chuàng)造的“加納模式”為國外其他微堆低濃化改造提供了有力的技術(shù)支撐和寶貴經(jīng)驗。
2018年12月，“加納模式”再續(xù)新篇——尼日利亞微堆低濃化改造項目圓滿完成，為減少并最終消除民用高濃鈾燃料貢獻(xiàn)了中國力量，也為兩國開展反應(yīng)堆物理研究和培養(yǎng)專業(yè)人才創(chuàng)造了有利條件。如今，微堆低濃化的成功實施已為微堆在國際市場上的推廣打開新局面，多個國家對低濃鈾微堆表達(dá)了合作意向，國際市場前景廣闊。
尼日利亞高濃鈾微堆材料返還中國
“小”微堆，“大”力量，未來，中核集團(tuán)原子能院研究團(tuán)隊將協(xié)同一心、再接再厲，為我國核工業(yè)發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)，為國際微堆低濃化和世界和平利用核能提供技術(shù)支持。
【責(zé)任編輯：俞昭君】
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