核燃料作為核反應堆的能量源泉與第一道安全屏障，是核發達國家競相爭搶的戰略技術高地，是整個核電產業鏈封鎖最嚴密的核心技術，具有研發技術難度高、研制周期長、投入經費大的特點。中國核燃料組件市場規模達200億/年，卻長期被法、美、俄等國技術壟斷，國外燃料組件品牌占比高達98%，扼住了中國核電安全積極發展的咽喉，限制了自主三代核電技術“走出去”戰略目標的實現。為解決核電可持續發展和“卡脖子”問題，生態環境部核與輻射安全中心全面整合三大核電集團優勢力量，組建課題研究“國家隊”，開展了長達十余年的自主化燃料組件入堆研究，并在國內首次系統開展了自主大型先進壓水堆高性能燃料組件的入堆安全評價工作。構建了涵蓋核安全導則、審評指南、技術標準規范等的多層級核安全監管體系，完成24份樣品管組件、先導棒和先導組件的入堆安全評價，保證了14類(51組 )燃料組件，16次先導燃料棒和先導燃料組件入堆，完成42個輻照考驗循環、50余次池邊檢查與熱室檢查，無一自主化燃料發生破損，堅實支撐了中國自主商用壓水堆燃料組件的快速、安全、創新發展。“自主化燃料組件入堆標準規范體系和關鍵技術研究”成果獲評2024年度中國核能行業協會科技進步一等獎。

鋯合金是怎樣煉成的

自主化燃料組件的研發需要解決的首要難題就是燃料棒所用的包殼材料。包殼是裝載核燃料芯體的密封外殼，直徑9.5毫米、管壁厚度不到1毫米、長近4米，是核反應堆的“第一道安全屏障”。包殼材料的性能和品質直接關系到核燃料元件的質量和安全，若包殼破損或熔化，就可能造成核燃料泄漏和輻射污染擴散，是反應堆最為重要的結構材料。實際上，做包殼用的不是純鋯，而是鋯合金，就是在鋯中添加了很少的其他金屬，而添加的元素種類和含量范圍一直是科學界的難題，合金元素的微小差異就可能引起包殼性能的巨大差異，尤其是輻照后性能差異。這種技術只被世界上少數幾個國家所掌握。

“好想試一下，自己做鋯合金!”這是團隊所有人的心聲，他們從仿制國外當時有的鋯合金( 鋯-2、鋯-4)做起，白天在實驗室做實驗，鉆進電子顯微鏡下的核材料微觀世界里觀察、思索;晚上在家整理分析實驗數據，研究國內外各種技術資料。他們開展了不同比例配方和不同冶煉時間、溫場、電場、磁場條件下的系列試驗，對得到的試驗樣品的感觀指標、理化指標進行仔細分析研究，歷經數個春秋，他們從眾多鋯合金體系中選出了40多種成分配方，并逐一進行分析篩選、熔煉和測試，篩選出25種候選合金，從中確定了兩種新型鋯合金，并成功實現了中等規模的試制生產。

成立攻關團隊，找準結構創新設計突破口

結構設計是燃料組件研發過程中最先行的環節之一。結構設計出現問題，將影響到后續的燃料組件性能分析與預測、燃料組件制造、堆外性能試驗以及堆內輻照考驗等各個環節，甚至影響整個研發任務的成敗。

為解決燃料組件結構創新設計難題，突破國外知識產權封鎖和技轉協議限制，他們成立了燃料組件結構設計攻關團隊，夜以繼日反復論證，尋找結構設計的突破口，為創新設計奠定基礎。一方面，快速梳理國外核發達國家在中國申請的與燃料組件結構設計相關的專利60余份，明確專利的限制范圍，結合中國壓水堆燃料組件設計和制造技術現狀，提出自主燃料組件的發展方案。另一方面，根據燃料組件燃耗、熱工水力和抗震等技術要求，結合燃料組件主要零部件功能的分解，找準結構創新的突破口，如導向管采用“管中管”結構形式、定位構架采用防勾掛設計等。辦公樓道常常燈火通明，攻關團隊成員加班加點，積累形成了大量的一手資料。

匯智聚才，創新創造

自主化燃料組件如何安全、高效、創新發展，面對自主化燃料組件入堆輻照風險控制難、標準規范體系不完善、堆內應用場景重構難、堆外試驗技術有短板、多重受限輻照檢查難、快速安全評價是空白的多個技術難題，團隊認為必須構建自主燃料組件研發及應用全流程標準化路徑，提升自主燃料組件安全評價關鍵技術能力，填補大型商用壓水堆燃料組件自主研制空白。

團隊在國家相關部委的大力支持下，依托國家科學技術部重點研發計劃、國防科技工業局核能開發項目、國家能源局科技重大專項、生態環境部國家核安全局科研課題，針對5項國家級科研項目、10余項集團級科研項目，聯合十余家單位開展了深入研究，首次構建了一套完整的、應用范圍最廣、包容性最強的壓水堆燃料組件入堆標準規范體系，為中國自主化燃料組件安全入堆提供了法規標準依據。

中國已有的核安全法規體系中已經包含了對壓水堆核動力廠燃料組件的原則性要求，但缺乏對燃料組件開發和工程應用開展核安全審評的具體指導文件。團隊對自主化燃料組件研發過程中的材料性能試驗、組件及零部件試驗、燃料性能設計基準和驗收準則的建立、燃料性能分析評價、輻照后檢查等上百項技術專題，在中國相關法規標準體系缺失的情況下，開展了大量的調研、分析、實踐和技術研究工作。經過十多年的技術審評和研究，完成相關技術專題報告共計30余份，并逐步形成了一套指導自主化商用壓水堆燃料組件入堆輻照及應用的研究成果。研究確定了11項包殼材料堆外試驗、6項導向管和格架材料堆外試驗、20項燃料組件零部件及整體性能試驗、11項輻照后池邊檢查項目、19項輻照后熱室檢查項目、20項設計基準、28項設計特征說明以及受影響的接口安全評價內容。編制完成《壓水堆核動力廠核燃料組件審評指南》，以規范和指導中國壓水堆核動力廠燃料組件在目標核動力廠開展先導輻照考驗的燃料組件研發、工程應用和核安全審評工作。該指南在國內首次全面、系統地總結了燃料組件的法規標準要求，確立了自主化燃料組件先導考驗和批量應用的基準，為設計和審評提供了針對性的技術指導，創建了一套統一、規范的燃料組件安全評價體系，為中國自主研發核燃料組件入堆輻照及工程應用提供了有效的法規依據。針對具體問題，如試驗方法、評價方法等，需要制定更為具體的標準規范文件，如行業標準、企業標準、技術專題報告等，團隊在國家重點研發計劃、核能開發項目、國家科技重大專項等項目的支持下，編制完成了壓水堆核電廠燃料組件臨界熱流密度實驗要求、壓水堆核電廠燃料組件格架力學性能試驗方法等一系列標準規范文件，用以指導自主化燃料組件入堆輻照及工程應用的具體實施。

核電目前已成為中國能源結構轉型、實現“雙碳”戰略目標最重要的基荷能源。中國核電機組數快速增長，開展自主化燃料組件研制及應用是解決“卡脖子”風險、確保中國核燃料供應鏈自主可控的必經之路。項目團隊建立了自主化燃料組件入堆標準規范體系，突破了燃料組件堆內服役性能—堆外試驗驗證體系映射、燃料組件快速入堆安全評價等關鍵技術，構建了自主化燃料組件研發及應用全流程標準化路徑。在本項目研究成果支撐下，無一自主化燃料發生破損，既保證了入堆輻照核安全，又促進了自主化燃料組件高效研發，為支撐自主三代核電“走出去”、保障核安全和生態環境奠定了堅實的技術基礎，社會效益突出。項目成果可推廣應用到全行業內關于自主化燃料組件堆內輻照考驗及批量應用的各個環節( 安全審評、材料研發、堆外試驗、堆內考驗、輻照后檢查、計算分析評價等 )，并用于指導國內其他新型燃料組件的入堆安全評價。項目成果已逐步成為國內核燃料研發的標桿工程，在商用壓水堆燃料研發領域形成了良好的示范效應，并引領了其他新型反應堆燃料元件標準規范體系的建立。