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【月度聚焦】以先进燃料助力小堆走向世界
文章来源:中国核工业杂志 日期:2016年10月21日


——记CF2S/CF3S燃料组件及相关组件的创新攻坚之路

  作为模块式小型堆的心脏,燃料的先进性、自主性直接决定了整个堆型的经济性、安全性和自主品牌,关系到澳门英皇在线手机版小堆在国际市场上的竞争力,并最终影响到澳门英皇在线手机版小堆能否走向世界。

  燃料定位 自主创新

  2010年,模块式小型堆(ACP100)正式通过立项,获批成为澳门英皇赌场网址的科技重点专项之一。

  中国核动力研究设计院是集核反应堆工程研究、设计、试验、运行和小批量生产为一体的大型综合性科研基地,目前承担着国内所有二代加核电项目核岛主系统或核蒸汽供应系统的工程设计与技术服务。在燃料组件及相关组件的设计方面,已全面掌握了法国AFA2G/AFA3G、美国西屋AP1000的设计、试验技术,并成功完成具有自主常识产权的CF2/CF3及其改进型燃料组件设计。正因为大堆燃料(AFA3G燃料组件)无论在设计和制造方面都有比较丰富的经验,就在众人理所当然地认为小堆的燃料组件将在AFA3G燃料组件的基础上进行适应性调整设计之时,设计所反应堆燃料元件设计研究室副主任庞华以及小堆团队的众位技术人员带着核动力院人特有的自信、骄傲和担当,坚决地对受制于人的AFA3G调整型燃料组件方案 “Say No”。在研究室主任陈平的支撑下,他们决心从燃料做起,坚定自主创新,打造中国品牌,以先进燃料助力小堆走向世界!

  自此,小堆燃料组件及相关组件走上了创新攻坚之路。

  化整为零 分工协作

  自主创新不仅仅是一句口号,更要落实到行动上。为让ACP100小堆具有中国“核芯”,燃料组件需从头到脚均为中国设计。此时,燃料元件室的小堆团队成员们展示出了他们深厚的技术底蕴,将燃料组件化整为零,开展了分工协作。

  上管座,作为燃料组件的上部构件,除了为控制棒组件和固定式堆芯相关组件提供保护空腔外,还是冷却剂出口。以黄春兰为代表的设计人员在上管座的设计中将自身对技术的领悟与艺术的感悟完美地结合在一起。上管座连接板需开设导向管连接孔和流水孔,在导向管连接孔位置确定后,流水孔的开设不仅需考虑冷却剂在流经时的阻力、混合,更要防止燃料棒向上窜出上管座。在核燃料设计这一让人感觉严肃、严谨的行业中,美,同样让人心旷神怡,流连忘返。研发人员的创新性思维让连接板的设计顿时成为一件精美的艺术品,那一条条弧线、那一个个倒角……无不在默默发挥其应有的作用时散发出美的气息!

  下管座,作为燃料组件的底部结构件,将燃料组件所受到的横向载荷及轴向载荷传递到下堆芯板上,并分配流入燃料组件的冷却剂流量,同时过滤冷却剂中的异物,防止进入燃料棒区域造成磨蚀破损。设计人员粟敏坚持理论联系实际、实际依附理论的设计思想,在一次用餐时灵感闪现,空间曲面下管座就此诞生,使得下管座的防异物功能得到大幅度提升。

  定位格架,在支撑燃料棒使其定位的同时,还通过搅混冷却剂以提高燃料组件的热工水力性能,其外条带还具有装卸料过程防勾挂保护外围燃料棒的作用。搅混翼,是引导冷却剂形成横向流场从而改善传热效果的关键结构,设计人员陈杰倾情投注,与其结下不解之缘,每一个漩涡,都令设计者的心深陷其中;每一次脉动,都有设计者的心随之跳动。另一位设计人员彭园在设计外条带时同样全心全意,国内外每一次报道格架发生勾挂,都牵扯着他的心,提醒着他在格架防勾挂设计方面投入更大精力。有了目标,就会忘记一路的辛苦,哪怕道路再曲折,也要迂回前进,再苦再累在所不辞。他们凭借着不懈的努力,终于在燃料组件四周铸就起一道道坚不可摧的锆合金长城。

  导向管,是燃料组件骨架的主要结构部件,它承受燃料组件上部和下部受到的载荷,容纳相关组件棒的插入。控制棒的插入,需要满足快速和缓慢的要求,好比赛车,急速启动、冲刺、停止,激情四射!设计人员朱发文就是一个优秀的“赛车手”,他以敏锐的感官精确控制“赛车”的前行。导向管在一种黄金般的分割下,对控制棒的插入实现了快与慢的统一。

  燃料棒,由上端塞、下端塞、包壳管、芯块和螺旋压紧弹簧组成,其中,芯块被封闭在由上、下端塞与包壳管焊接而成的空腔内。张坤、邢硕等技术人员凭着丰富的设计经验,经过充分的理论计算,在燃料棒内设计出了合理的轴向空腔和径向间隙,以容纳燃料释放出的裂变气体和调节包壳与燃料间的不同热膨胀以及燃料辐照肿胀,并通过在棒内预充了合理压力的氦气,减小包壳的应力应变。

  在散发着团队成员们各自智慧之光的成果下,CF2S燃料组件横空出世,自此,标志着打造中国品牌的先进燃料组件踏出了坚实的一步!

  图纸下厂 样机问世

  2011、2012年跨年之际,CF2S模拟燃料组件及模拟控制棒组件的全套技术文件完成编制出版,并在与制造厂3次技术交底后,配合相关部门完成样机采购外协合同签订,技术文件正式下厂。

  为确保模拟件的制造并有利于质量控制,以蒲曾坪为代表的技术人员亲赴制造厂,现场审查制造厂提交的《质量控制计划》等程序文件,根据合同和质量计划审查模拟件原材料文件、质量证明文件以及出厂文件,实施控制点的质量见证,处理制造厂的技术联系单28份,解决模拟燃料组件和模拟控制棒组件制造中的传感器安装困难、星形架指杆镀铬工艺评价和材料及制造及质保程序上的不符合项等技术问题。

  经过设计人员与制造厂的紧密配合,2012年10月,CF2S模拟燃料组件和模拟控制棒组件顺利通过验收,为开展堆外试验验证提供了条件,也为后续批量供货打下了基础。

  堆外试验 产品升级

  随着CF2S模拟燃料组件及模拟控制棒组件的验收,自主设计正式转入堆外试验验证并反馈设计的阶段。

  2013年4月,ACP100控制棒驱动线冷态试验圆满完成。在模拟反应堆运行环境下对两种控制棒组件方案进行筛选后,通过对落棒时间及冲击载荷的实际测量完成了控制棒组件的方案选型。

  2014年2月23日,ACP100控制棒驱动线热态试验装置开始升温升压,CF2S模拟燃料组件开始进行热态冲刷试验,到2014年6月11日,燃料组件累计冲刷时间达到1503.4小时。在此过程中,控制棒落棒试验累计完成落棒617次。随后,CF2S模拟燃料组件及控制棒组件又经历了地震工况下的落棒试验验证。试验证明,CF2S燃料组件及控制棒组件的设计获得了成功。

  为适应小堆经济性和安全性进一步提高的要求,燃料组件的综合性能还有待提升。2015年,燃料组件的设计正式转入CF3S阶段。CF3S燃料组件是CF2S燃料组件的产品升级,在燃料棒包壳上使用了自主研发的国产N36锆管;导向管的改进设计能更好地满足落棒要求并有利于提高燃料组件的力学性能;定位格架的改进设计能进一步提高燃料组件的热工水力性能;下管座的改进设计能更好地对进入燃料组件的异物进行过滤……

  2016年,CF3S燃料组件即将完成初步设计并启动堆外试验用模拟燃料组件的采购。在通过堆外试验的验证后,CF3S燃料组件将以其优良的综合性能正式登上核电舞台,带着中国品牌的光环,助力小堆走向世界!(编辑系中国核动力研究设计院陈杰)

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