馮海寧,趙瑞瑞,王 虹,史寶磊,何曉軍

(1.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 104035；2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

核燃料元件是反應(yīng)堆的核心部件，其性能是核電安全性和經(jīng)濟(jì)性最主要影響因素之一。壓水堆核燃料元件根據(jù)壓水堆核電站應(yīng)用需求進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，通過加深組件卸料燃耗、延長換料周期來降低電廠運(yùn)營成本，提高核電經(jīng)濟(jì)性。壓水堆燃料組件的平均設(shè)計(jì)燃耗從早期的10～15 GWd/tU逐步提高，至今已達(dá)到60～70 GWd/tU；換料周期也相應(yīng)地從12個(gè)月延長至現(xiàn)在的18個(gè)月或24個(gè)月。燃料組件燃耗加深也帶來了裂變氣體釋放量增大、包殼腐蝕和吸氫增加、燃料芯塊腫脹、燃料元件和組件輻照生長加劇等一系列問題。如何解決這些問題，一直是壓水堆燃料元件研究的重要任務(wù)。因此，近年來壓水堆燃料元件研究的主要方向?yàn)橥ㄟ^設(shè)計(jì)開發(fā)比UO2具有更好輻照性能的燃料、耐腐蝕、耐輻照性能更優(yōu)的鋯合金包殼材料、高熱工性能的定位格架等途徑，來提升燃料元件整體性能。但總的說來，目前壓水堆燃料元件的設(shè)計(jì)改進(jìn)主要以棒狀燃料結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化為主，經(jīng)過近50年的發(fā)展與不斷優(yōu)化，以棒狀燃料為基礎(chǔ)的技術(shù)改進(jìn)對(duì)于提升核電經(jīng)濟(jì)性和安全性的潛力已非常有限。因此，近些年來，采用其他幾何結(jié)構(gòu)的燃料元件成為一種新的發(fā)展思路。

美國麻省理工學(xué)院(MIT)最早提出了輕水堆用環(huán)形燃料元件的概念。環(huán)形燃料是將二氧化鈾燃料芯塊制成環(huán)狀，在芯塊內(nèi)、外表面加裝包殼管，使得冷卻劑可以從內(nèi)、外兩個(gè)流道同時(shí)對(duì)元件進(jìn)行冷卻，如圖1所示。國內(nèi)外相繼開展了環(huán)形燃料應(yīng)用于壓水堆的研究工作，研究結(jié)果表明環(huán)形燃料作為一種結(jié)構(gòu)上完全革新的先進(jìn)燃料元件，可大幅度提高燃料元件的傳熱效率，降低燃料芯塊溫度，顯著提升反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]，已成為壓水堆先進(jìn)燃料元件的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

本文綜述了國內(nèi)外環(huán)形燃料的相關(guān)研究與分析，重點(diǎn)進(jìn)行了中核北方壓水堆環(huán)形燃料制造技術(shù)分析，并對(duì)環(huán)形燃料的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 壓水堆環(huán)形燃料技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 環(huán)形燃料可顯著提升反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性

環(huán)形燃料可以在保持或增進(jìn)現(xiàn)有反應(yīng)堆安全裕度的前提下，大幅提升堆芯輸出功率密度。國內(nèi)、外研究結(jié)果表明，與棒狀燃料相比較，如果在新建百萬千瓦級(jí)壓水堆核電廠設(shè)計(jì)中采用環(huán)形燃料，可在維持現(xiàn)有堆芯尺寸的前提下輸出150萬kW的電功率，大大提高核電廠的實(shí)際輸出能力；可使用環(huán)形燃料對(duì)現(xiàn)役壓水堆核電廠進(jìn)行升級(jí)改造：如果不更換主泵、蒸汽發(fā)生器等主設(shè)備，適當(dāng)更換堆芯構(gòu)件、改變電廠運(yùn)行模式，使用環(huán)形燃料可提升10%～25%左右的堆芯輸出功率；如果在停堆大修期間更換部分堆內(nèi)構(gòu)件、一回路主泵、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等必要設(shè)備，使用環(huán)形燃料堆芯輸出功率可提升30%～50%。因此，若在新建核電廠中直接采用環(huán)形燃料，或利用環(huán)形燃料對(duì)現(xiàn)役核電廠進(jìn)行升級(jí)改造，可以大幅提升反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性。

西屋公司采用核電經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法，綜合考慮核電廠建造、維護(hù)、退役、電費(fèi)和燃料成本等諸多因素，對(duì)核電廠采用環(huán)形燃料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示：環(huán)形燃料的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在提高單堆輸出功率而導(dǎo)致的股本回報(bào)率增大上，其制造成本增加對(duì)電價(jià)造成的影響很小。值得注意的是，即便是同等輸出功率的壓水堆核電廠，采用環(huán)形燃料也比采用棒狀燃料的經(jīng)濟(jì)性要好，這主要是因?yàn)榍罢叩亩研境叽缫∮诤笳撸鄳?yīng)需要的壓力容器要小、工程造價(jià)低，這也是環(huán)形燃料經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)的原因之一[1]。

1.2 環(huán)形燃料可顯著提升反應(yīng)堆安全性

環(huán)形燃料的安全性在正常運(yùn)行工況與事故工況下，都要高于現(xiàn)有棒狀燃料，一定程度上提升了壓水堆核電廠的固有安全性。

正常運(yùn)行工況下，環(huán)形元件整體溫度遠(yuǎn)低于棒狀元件，如秦山二期100%正常工況運(yùn)行條件下，棒狀燃料元件熱棒峰值線功率密度約為45 kW/m，芯塊峰值溫度接近2300 ℃，相對(duì)應(yīng)的環(huán)形燃料元件熱棒峰值線功率密度為74 kW/m，芯塊峰值溫度為650～700 ℃；如果提升堆芯功率密度50%，棒狀燃料元件熱棒的峰值線功率密度約為67.5 kW/m，芯塊峰值溫度早已超過芯塊熔點(diǎn)溫度，而環(huán)形燃料元件熱棒的峰值線功率密度可達(dá)到111 kW/m，相對(duì)應(yīng)的芯塊峰值溫度也僅有850 ℃左右，因此環(huán)形燃料元件具有更高的熱工安全裕度；環(huán)形燃料芯塊的溫度低，裂變氣體釋放量少，壽期末燃料元件內(nèi)壓會(huì)大幅降低；環(huán)形燃料組件中的燃料元件和控制棒導(dǎo)向管都要比現(xiàn)有棒狀燃料組件的粗一些，增大了組件的剛度，增強(qiáng)了其流致振動(dòng)的抵抗能力。

環(huán)形燃料芯塊的溫度低，儲(chǔ)能少，在大破口失水事故(LBLOCA)為代表的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，環(huán)形燃料包殼的峰值溫度遠(yuǎn)低于棒狀燃料包殼；在嚴(yán)重事故工況下，環(huán)形燃料芯塊可以延緩燃料元件包殼失效的進(jìn)程，為后續(xù)的事故緩解和應(yīng)急響應(yīng)提供寶貴的時(shí)間。

1.3 環(huán)形燃料可快速實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用

壓水堆環(huán)形燃料組件的外形幾何尺寸設(shè)計(jì)可與現(xiàn)有的棒狀燃料組件完全一致，可直接替代現(xiàn)有的燃料組件在壓水堆核電廠中使用，如我國和美國已確定采用13×13型排列的環(huán)形燃料組件替代現(xiàn)有17×17型排列的棒狀燃料組件的方案，如圖2所示，韓國采用了12×12型排列的環(huán)形燃料組件替代現(xiàn)有16×16型排列的棒狀燃料組件的方案；環(huán)形燃料只在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，組件使用材料仍采用成熟的UO2+Zr合金，不涉及新材料研發(fā)，可縮短研發(fā)周期；環(huán)形燃料制造及后處理工藝與現(xiàn)有燃料循環(huán)體系完全相容；根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，至今未發(fā)現(xiàn)環(huán)形燃料研發(fā)存在無法解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，若能持續(xù)開展環(huán)形燃料研發(fā)，可相對(duì)快速地實(shí)現(xiàn)在壓水堆的工程應(yīng)用。

圖2 棒狀燃料組件和環(huán)形燃料組件截面示意圖Fig.2 Schematics of annular fuel assembly

2 環(huán)形燃料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

美國是最早提出并開始研究輕水堆環(huán)形燃料的國家。從2001年開始，在美國能源部資助下，MIT聯(lián)合西屋公司等單位開展了環(huán)形燃料研究(NERI項(xiàng)目)，內(nèi)容涉及堆芯物理、熱工水力、安全分析、燃料制造、經(jīng)濟(jì)分析以及堆內(nèi)輻照試驗(yàn)等方面，研究結(jié)果顯示，在新建壓水堆中采用環(huán)形燃料可以提高反應(yīng)堆功率密度50%，且各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足現(xiàn)有核電廠安全性要求。2006年，在美國能源部資助下，西屋公司、美國電力研究所和麻省理工學(xué)院又開展了一個(gè)核能優(yōu)化(NEPO)項(xiàng)目，主要研究內(nèi)容是現(xiàn)役核電廠利用環(huán)形燃料將反應(yīng)堆功率密度增加30%或50%的可行性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果顯示，在現(xiàn)役核電廠中使用環(huán)形燃料提升功率密度30%～50%可行的，且各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)同樣滿足現(xiàn)役核電廠安全運(yùn)行要求[1]。

韓國是繼美國之后開展環(huán)形燃料研究最為積極和成功的國家。2007年3月，由韓國原子力研究院主持，韓國計(jì)算流體工程協(xié)會(huì)等多家科研機(jī)構(gòu)共同參與的“環(huán)形燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究”項(xiàng)目正式啟動(dòng)，并明確提出了項(xiàng)目的工程研究目標(biāo)：將環(huán)形燃料應(yīng)用于韓國現(xiàn)役OPR-1000反應(yīng)堆中，以提升功率密度20%。該項(xiàng)目研究主要內(nèi)容包括OPR-1000核電廠堆芯設(shè)計(jì)、環(huán)形芯塊制造、內(nèi)外包殼制備、堆內(nèi)輻照試驗(yàn)、熱工水力設(shè)計(jì)及試驗(yàn)、燃料件及相關(guān)組件機(jī)械設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)，至2015年5月，已經(jīng)完成了環(huán)形燃料堆芯和組件的初步設(shè)計(jì)，制造出了全尺寸環(huán)形燃料原型組件，并完成了相應(yīng)的機(jī)械和熱工水力性能驗(yàn)證試驗(yàn)，第2期堆內(nèi)輻照試驗(yàn)(平均燃耗30 GWd/tU)也已經(jīng)結(jié)束。研究結(jié)果顯示，現(xiàn)役OPR-1000核電廠采用環(huán)形燃料提升核電廠反應(yīng)堆功率密度20%在工程上是完全可行的[2]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司(簡稱“中核集團(tuán)”)自2008年起啟動(dòng)環(huán)形燃料研發(fā)，由中國原子能科學(xué)研究院(簡稱“原子能院”)負(fù)責(zé)燃料設(shè)計(jì)與驗(yàn)證研究，中核北方核燃料元件有限公司(簡稱“中核北方”)負(fù)責(zé)燃料制造技術(shù)研究。2008年，原子能院跟蹤與分析了國際環(huán)形燃料的研究進(jìn)展；“十一五”期間，開展了環(huán)形燃料元件基礎(chǔ)研究，從堆芯物理、燃料性能、熱工水力、核電廠安全、經(jīng)濟(jì)性以及燃料制造等方面論證了壓水堆核電廠使用環(huán)形燃料的可行性[3]；2014年起，進(jìn)入環(huán)形燃料關(guān)鍵技術(shù)研究階段，開展了堆芯設(shè)計(jì)研究、燃料元件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證、安全性能研究與堆內(nèi)輻照性能研究，目前環(huán)形燃料基本完成了專用設(shè)計(jì)軟件開發(fā)、組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)研究：自主開發(fā)了堆芯和組件設(shè)計(jì)軟件，完成了環(huán)形燃料元件零功率物理試驗(yàn)；初步完成了堆芯、組件設(shè)計(jì)以及部分關(guān)鍵熱工水力試驗(yàn),包括組件整體力學(xué)性能試驗(yàn)、水力沖刷試驗(yàn)等；研制出全尺寸壓水堆環(huán)形燃料組件試驗(yàn)件，打通了關(guān)鍵制造工藝環(huán)節(jié)，研制了組件組裝等專用工藝裝備；初步建立了嚴(yán)重事故分析方法；小組件進(jìn)入49-2堆開始輻照考驗(yàn)，已累計(jì)考驗(yàn)6個(gè)輻照周期。整體研發(fā)工作進(jìn)入先導(dǎo)組件入堆前的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。

3 中核北方壓水堆環(huán)形燃料制造技術(shù)分析

3.1 中核北方燃料制造技術(shù)能力概述

中核北方從20世紀(jì)50年代起，系統(tǒng)開展了各類生產(chǎn)堆、研究實(shí)驗(yàn)堆、動(dòng)力堆核燃料元件制造技術(shù)的研究，并逐步建立了完整配套的核燃料研發(fā)體系和技術(shù)裝備能力，為各種反應(yīng)堆研制和生產(chǎn)了不同類型的燃料元件，自主研制了高通量工程實(shí)驗(yàn)堆、中國先進(jìn)研究堆、微堆等燃料元件，實(shí)現(xiàn)了CANDU-6、AFA-3 G、AP1000、高溫氣冷堆等燃料元件的生產(chǎn)，制造技術(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平。

中核北方經(jīng)過長期核燃料元件制造技術(shù)國產(chǎn)化與自主創(chuàng)新的科研和生產(chǎn)實(shí)踐，掌握了鈾化工、鈾冶金、機(jī)械加工等方面的一系列關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)成功應(yīng)用于各種燃料元件的制造；并在芯體材料制備、芯體加工成型、零部件加工、燃料棒和組件制造以及理化檢測(cè)等方面具備了先進(jìn)的裝備能力。為了提高企業(yè)研發(fā)能力，發(fā)揮專業(yè)技術(shù)力量和現(xiàn)有裝備等資源，中核北方建立了國家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心、中核集團(tuán)特種材料研究與應(yīng)用開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國防科技工業(yè)企業(yè)技術(shù)中心、內(nèi)蒙古自治區(qū)企業(yè)技術(shù)中心、內(nèi)蒙古自治區(qū)核燃料元件企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研發(fā)平臺(tái)。各級(jí)各類研發(fā)平臺(tái)在一定范圍內(nèi)發(fā)揮了科技創(chuàng)新示范與驅(qū)動(dòng)作用，為持續(xù)進(jìn)行研究開發(fā)與技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，形成企業(yè)核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)創(chuàng)造了有利條件。

燃料元件制造是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的過程。環(huán)形燃料采用革新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其制造技術(shù)提出了新的要求，因此，中核北方公司充分利用現(xiàn)有的核燃料元件制造技術(shù)基礎(chǔ)，全面開展自主創(chuàng)新，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，開展了環(huán)形燃料制造工藝流程設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)確定、關(guān)鍵專用工藝裝備研制與試驗(yàn)件研制工作。雖然為了直接替代現(xiàn)有的燃料組件在壓水堆核電廠中使用，壓水堆環(huán)形燃料組件整體外形尺寸設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)棒狀17×17壓水堆燃料組件保持一致，但13×13型排列的結(jié)構(gòu)決定了其芯塊、燃料棒、定位格架、導(dǎo)向管部件、管座等關(guān)鍵部件、骨架及組件整體均具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)尺寸設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)棒狀17×17壓水堆燃料組件存在較大差異，必須通過工藝與裝備的研發(fā)與試驗(yàn)件的研制，實(shí)現(xiàn)組件制造與設(shè)計(jì)之間的迭代反饋，考慮組件設(shè)計(jì)方案的制造工藝可實(shí)現(xiàn)性與不同設(shè)計(jì)方案的選型，最終完成設(shè)計(jì)定型與制造工藝定型。

3.2 芯塊制造技術(shù)分析

芯體研發(fā)是壓水堆核燃料技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。中核北方開展了改進(jìn)型二氧化鈾陶瓷芯塊，如大晶粒二氧化鈾芯塊、中孔芯塊、添加氧化鈹?shù)母邿釋?dǎo)二氧化鈾芯塊、含釓二氧化鈾芯塊、一體化可燃毒物(IFBA)芯塊等，全陶瓷微封裝燃料(FCM)芯塊，U3Si2和UN等非氧化物陶瓷芯塊，U-Mo合金等金屬燃料芯塊的研制；掌握了芯塊制備相關(guān)粉末制備、混料、壓制成型、高溫?zé)Y(jié)、金屬芯體熔鑄成型及熱處理等關(guān)鍵技術(shù)。環(huán)形燃料芯塊仍采用二氧化鈾材料，但芯塊尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生革新性變化，薄壁芯塊內(nèi)外徑尺寸精度技術(shù)要求非常高，其外徑為φ13.6 mm，壁厚僅為2 mm，高度為13 mm，如圖3所示，與傳統(tǒng)柱狀二氧化鈾芯塊比較，容易出現(xiàn)尺寸精度超差、芯塊中部收腰、裂紋、掉角等缺陷，制造難度加大。對(duì)于二氧化鈾陶瓷材料薄壁芯塊制備，需在粉末制備、成型模具設(shè)計(jì)、成型工藝、燒結(jié)工藝、磨削工藝等各個(gè)工藝環(huán)節(jié)開展系統(tǒng)研究。根據(jù)芯塊設(shè)計(jì)尺寸，開展成型與燒結(jié)試驗(yàn)，摸索芯塊內(nèi)外徑收縮比，設(shè)計(jì)確定成型模具尺寸；通過調(diào)整成型壓力、升壓速率、保壓時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，保證芯塊成型質(zhì)量。研究燒結(jié)工藝對(duì)芯塊尺寸、微觀形貌等性能的影響規(guī)律，并開展芯塊內(nèi)圓與外圓磨削工藝匹配性研究，實(shí)現(xiàn)環(huán)形薄壁芯塊內(nèi)外徑尺寸精度控制，研制出符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求的芯塊。為了滿足批量化制備需求，環(huán)形芯塊的制備還需開展多批次的制備工藝串聯(lián)與驗(yàn)證試驗(yàn)，選擇最優(yōu)化的工藝方案組合，才能確保工藝的穩(wěn)定性。

圖3 環(huán)形二氧化鈾芯塊Fig.3 UO2 annular pellet

3.3 燃料棒焊接組裝技術(shù)分析

燃料棒是燃料組件的核心部件，包殼管與端塞通過焊接實(shí)現(xiàn)連接并對(duì)芯塊進(jìn)行密封，其焊接質(zhì)量是組件制造關(guān)注的重點(diǎn)。中核北方積累了豐富的鋯合金燃料棒電子束焊、TIG焊接、壓力電阻焊的焊接技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了工藝研究與設(shè)備工裝研制，應(yīng)用于重水堆鈷調(diào)節(jié)棒組件、AP1000燃料組件與AFA-3 G燃料組件等組件制造。環(huán)形燃料棒為雙包殼結(jié)構(gòu)形式，需實(shí)現(xiàn)內(nèi)包殼、外包殼與上、下端塞的環(huán)縫焊接與上端塞堵孔焊接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，內(nèi)包殼與上、下端塞的焊接設(shè)計(jì)了不同的焊接結(jié)構(gòu)，包括端面環(huán)縫焊接、柱面環(huán)縫焊接的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)形燃料棒采用TIG焊接方式。因此，針對(duì)不同的焊焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制專用焊接工裝，包括特殊結(jié)構(gòu)的焊槍、焊接工裝夾具，設(shè)計(jì)焊接工裝與燃料棒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式；并通過開展工藝試驗(yàn)，結(jié)合鋯合金材料焊接性能，確定焊接工藝參數(shù)，保證焊縫尺寸、力學(xué)性能、表面狀態(tài)等焊接質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

圖4 環(huán)形燃料棒結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Annular fuel rod structure

環(huán)形芯塊裝管工藝也是環(huán)形燃料棒制造過程中需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。環(huán)形包殼管長度約為3.8 m，包殼管自身撓度與芯塊與內(nèi)外包殼的尺寸公差使得裝管間隙較小，并且必須保證在裝管過程中避免對(duì)環(huán)形芯塊的損傷，因此，要實(shí)現(xiàn)雙包殼環(huán)形芯塊的裝管難度較大。在環(huán)形芯塊裝管過程中，需與焊接工序相配合，科學(xué)設(shè)計(jì)裝管流程與順序，并設(shè)計(jì)研制專用裝管工裝，探索采用不同角度的裝管方式，保證裝管過程中芯塊不產(chǎn)生損傷。

3.4 定位格架制造技術(shù)分析

中核北方前期開展了壓水堆燃料組件定位格架不同材料(Zirlo合金、Zr-4合金、Inconnel合金等)條帶的沖制、清洗、熱處理、電鍍等工藝研究與不同結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的格架條帶模具的自主研發(fā)，并進(jìn)行了電子束焊接技術(shù)、激光焊接技術(shù)等格架焊接組裝技術(shù)的工藝開發(fā)與優(yōu)化。環(huán)形燃料組件定位格架設(shè)計(jì)目前有兩種方案，一種為 柵元型、一種為條帶型。

柵元型定位格架由柵元與外條帶組裝焊接而成；條帶型定位格架由內(nèi)條帶、外條帶、支撐架插接組裝焊接而成。定位格架是燃料組件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，對(duì)外形輪廓、剛凸等尺寸精度、性能設(shè)計(jì)要求高，制造過程包括柵元、條帶、支撐架沖制、熱處理、組裝、焊接多道工序，每道工序?qū)Χㄎ桓窦墚a(chǎn)品的尺寸、性能等技術(shù)指標(biāo)影響較大，需通過產(chǎn)品試制、數(shù)據(jù)分析、工藝及工裝調(diào)整才能研制出符合設(shè)計(jì)要求的定位格架。

柵元、條帶、支撐架沖制需針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)，結(jié)合鋯合金材料性能，進(jìn)行沖制模具設(shè)計(jì)加工，并開展大量沖制試驗(yàn)，確定模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵成型結(jié)構(gòu)尺寸、沖制壓力、保壓時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，解決沖制過程中出現(xiàn)的尺寸精度達(dá)不到要求、沖制裂紋等問題。

定位格架組裝焊接需保證柵元、條帶、支撐架各部件組裝位置尺寸精度，并在數(shù)百個(gè)焊點(diǎn)焊接后保證定位格架整體尺寸精度，因此，需設(shè)計(jì)加工專用焊接電極、組裝工裝，開展大量焊接工藝試驗(yàn)，確定焊接順序、焊接電流等關(guān)鍵焊接工藝參數(shù)，解決焊接過程中出現(xiàn)的焊接變形、焊接缺陷、尺寸控制等問題。

3.5 管座制造技術(shù)分析

壓水堆燃料組件管座的傳統(tǒng)制造技術(shù)為分體機(jī)械加工-焊接組裝或整體機(jī)械加工的方式；中核北方在掌握傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的基礎(chǔ)上，具備了三代壓水堆核電燃料組件精密鑄造批量化生產(chǎn)和研制大型先進(jìn)壓水堆組件管座的技術(shù)能力。中核北方在環(huán)形燃料管座的研制過程中，以機(jī)械加工工藝為主要工藝路線，并同步開展了精密鑄造技術(shù)的研究。環(huán)形燃料管座下管座存在較多機(jī)械加工難度大的尺寸特征設(shè)計(jì)，如下管座上端面分布的小圓孔與小方孔，孔徑較小，長徑比較大，常規(guī)加工刀具磨損嚴(yán)重，因此，需通過工藝選擇切削速度、進(jìn)給量等關(guān)鍵加工工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)加工特殊尺寸成形刀具，保證管座加工尺寸精度。下管座防異物網(wǎng)密布邊長為2 mm的方孔，傳統(tǒng)的加工方法加工難度大。通過開展電化學(xué)切割工藝研究，保證防異物網(wǎng)方孔尺寸控制與防異物網(wǎng)整體強(qiáng)度。

3.6 導(dǎo)向管部件制造技術(shù)分析

AFA-3 G燃料組件導(dǎo)向管部件由帶緩沖段的變徑導(dǎo)向管與導(dǎo)向管端塞直接通過環(huán)縫焊接連接。AP1000燃料組件采用導(dǎo)向管采用管中管設(shè)計(jì)。環(huán)形燃料導(dǎo)向管部件采用管中管設(shè)計(jì)，需實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向管與導(dǎo)向管端塞、緩沖管與緩沖管端塞的焊接及導(dǎo)向管與緩沖管的脹接。由于導(dǎo)向管與緩沖管較傳統(tǒng)棒狀燃料組件管徑變粗，因此需設(shè)計(jì)加工焊接工裝夾具與脹接工裝，根據(jù)管壁厚度與鋯合金材料性能，開展焊接工藝試驗(yàn)與脹接工藝試驗(yàn)，確定焊接電流等焊接工藝參數(shù)與脹接力、脹接桿行程等脹接工藝參數(shù)，保證焊接力學(xué)性能等焊接質(zhì)量與脹接頭尺寸、形狀與力學(xué)性能等設(shè)計(jì)要求。

3.7 骨架組裝技術(shù)分析

骨架組裝是壓水堆燃料組件制造過程中的重要工序。AFA-3 G燃料組件與AP1000燃料組件分別采用點(diǎn)焊焊接技術(shù)與脹接技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨架組裝。點(diǎn)焊組裝即通過格架與導(dǎo)向管之間壓力電阻點(diǎn)焊形成不可拆卸的焊接接頭實(shí)現(xiàn)骨架組裝；脹接技術(shù)通過使格架套管與導(dǎo)向管之間脹接產(chǎn)生變形實(shí)現(xiàn)骨架組裝。環(huán)形燃料采用13×13型排布設(shè)計(jì)，骨架外形如圖5所示。采用點(diǎn)焊組裝。骨架中導(dǎo)向管數(shù)量由傳統(tǒng)17×17棒狀燃料組件24根設(shè)計(jì)變更為8根，數(shù)量減少，管徑變粗，定位格架與導(dǎo)向管部件的焊接位置、焊接管壁厚度等設(shè)計(jì)均與棒狀燃料存在很大的差異，因此，傳統(tǒng)棒狀燃料組件骨架組裝裝置已不能適用于環(huán)形燃料組件骨架組裝，需設(shè)計(jì)研制環(huán)形燃料組件骨架組裝專用工裝。為了使定位格架與導(dǎo)向管焊點(diǎn)表面質(zhì)量、焊點(diǎn)尺寸、焊點(diǎn)結(jié)合力等達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)不同焊接電極尺寸、形狀、焊接支撐桿尺寸，并針對(duì)定位格架柵元壁厚與導(dǎo)向管壁厚尺寸與鋯合金材料性能，開展不同焊接電流、焊接壓力等參數(shù)的工藝試驗(yàn)，摸索焊接參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響規(guī)律，從而確定關(guān)鍵工裝的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與焊接工藝參數(shù)。

圖5 環(huán)形燃料組件骨架Fig.5 Annular fuel assembly skeleton

3.8 組件組裝技術(shù)分析

壓水堆環(huán)形燃料組件外形燃料棒直徑變粗、燃料棒結(jié)構(gòu)為雙包殼形式，其外形如圖6所示，仍需設(shè)計(jì)研制環(huán)形燃料組件組裝裝置來實(shí)現(xiàn)組件組裝過程的精確控制。推棒或拉棒組裝方式的選擇、單根或多根燃料棒組合組裝順序的選擇、推棒力/拉棒力、速度等關(guān)鍵參數(shù)的選擇、套管與導(dǎo)向管脹接工裝的尺寸與外形設(shè)計(jì)、脹接力的選擇等均對(duì)組件組裝后力學(xué)性能、外形尺寸、表面質(zhì)量等產(chǎn)生重大影響。因此，組裝裝置技術(shù)方案需經(jīng)過反復(fù)論證、分析與計(jì)算，經(jīng)過試驗(yàn)件的工藝試驗(yàn)，確定合適的工藝參數(shù)。

圖6 環(huán)形燃料組件Fig.6 Annular fuel assembly

4 結(jié)論

環(huán)形燃料作為一種結(jié)構(gòu)革新的燃料元件，在經(jīng)濟(jì)性與安全性上的顯著優(yōu)勢(shì)已使其成為壓水堆先進(jìn)燃料組件的發(fā)展方向之一。為滿足核電運(yùn)行對(duì)高性能燃料元件的應(yīng)用需求，中核北方在核燃料元件制造技術(shù)方面持續(xù)開展的技術(shù)提升與創(chuàng)新將引領(lǐng)核燃料制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上持續(xù)開展環(huán)形燃料研發(fā)，建立環(huán)形燃料組件制造技術(shù)研發(fā)體系，形成獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)于提升我國核燃料自主創(chuàng)新、核電自主化和核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力具有重要意義。