【奮進新征程 央企這十年】中核集團原子能院：“小”微堆成就“大”力量
文章來源：中國核工業集團有限公司 發布時間：2022-10-26
三十多年前，可能很多人不曾想到，小小的微堆（微型中子源反應堆）會成為我國反應堆“走出去”的起點。20世紀八九十年代，從微堆研制、開發到商業推廣應用，中核集團原子能院人經歷了一段從艱苦創業到創造輝煌的歷程，在國內外先后設計建成9座微堆，為國家創造了巨大的經濟效益。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堆
攻堅迎挑戰 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散。”中核集團原子能院反應堆工程技術研究所微堆低濃化項目負責人李義國表示。國際原子能機構（IAEA）曾多次提出，希望對微堆燃料實施低濃鈾轉化，并建議首先在原子能院微堆上進行高濃鈾的低濃化轉換實驗。
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，轉化后仍利用原有筒體裝料運行。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。而這些對于物理設計、燃料組件設計制造、裝卸料、實驗調試等諸多環節，都提出了更高的要求。
從2006年開始，微堆研究室團隊就多次參加IAEA組織的微型反應堆低濃化會議，對微堆低濃化的可行性進行計算和分析，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計、結構設計等工作。
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，需要重新進行物理、熱工和結構設計。同時，因為只能受限于原有堆芯空間作出合理調整，這大大增加了設計難度。
通過反復的理論計算和力學分析，研究團隊最終的低濃鈾堆芯設計做到了“兩全其美”，能夠同時滿足物理和結構設計要求。
然而，從設計成功到付諸實踐，仍有很長一段路要走。低濃鈾燃料作為微堆的核心部件，其加工制造是實現微堆低濃化的關鍵環節。原子能院研究團隊調研了國內多家反應堆燃料生產廠家，僅有一家可實現供貨，而有限的加工工藝水平也對堆芯設計提出了新的挑戰。經過團隊的反復論證和修改，低濃鈾的設計方案終于得以出爐。
原子能院微堆低濃化項目團隊
團結創合力 勇挑大梁擔重任
一個優秀的團隊會產生無盡的凝聚力，即便遇到再大的困難，也能團結一心、全力攻克。低濃鈾燃料加工制造完成后，團隊成員馬不停蹄地進入到安裝調試階段。
值班長是微堆零功率實驗的核心人物，全面負責整個實驗，需要在出現突發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；物理員負責實驗數據的監測和記錄，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，他們仍然像“繡花”一般謹慎細致地操作；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構部件調整合適……
在夜以繼日的工作節奏下，加班早已是家常便飯，高強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、應急等各方面做好準備，確保裝置的正常運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。
由于高濃鈾乏燃料具有很強的放射性，并且只能經由堆筒體頂部卸出，相應的裝卸料技術在國際上沒有參照。同時，低濃化改造也對反應堆實驗技術提出了新的要求。面對這一系列難題，研究團隊憑借在微堆設計、建造、運行與實驗等方面長期積累的技術經驗，研發了一整套低濃化轉化技術，并成功應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，填補了我國在該領域的技術空白，也為國內外微堆低濃化改造提供了重要依據，積累了測量和試驗數據。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 踐行大國莊嚴承諾
微堆低濃化工作不單是在科學的世界里探求真諦，還需在多方合作的進程中尋求共贏，用科學的態度攻克一個個技術難關，以協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。在國際原子能機構協調下，2014年，加納、中國和美國共同推進加納微堆低濃化改造項目，中國負責提供低濃鈾燃料、承擔零功率實驗和現場技術支持等工作。
原子能院技術人員在加納現場進行裝料操作
2017年當地時間8月10日上午12:27，加納微堆成功實現滿功率運行；8月29日，載有我國首座海外商用微堆高濃鈾燃料的專機緩緩降落于河北石家莊正定國際機場。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承諾，為國際防止核擴散作出重要貢獻，彰顯了中國能力和中國責任。該工作所創造的“加納模式”為國外其他微堆低濃化改造提供了有力的技術支撐和寶貴經驗。
2018年12月，“加納模式”再續新篇——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了中國力量，也為兩國開展反應堆物理研究和培養專業人才創造了有利條件。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，中核集團原子能院研究團隊將協同一心、再接再厲，為我國核工業發展作出新的貢獻，為國際微堆低濃化和世界和平利用核能提供技術支持。
【責任編輯：俞昭君】
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