李冠興

（中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100822）

（上接2010年第1期第9頁(yè)）

4 燃料制造

4.1 燃料制造能力需求分析

4.1.1 世界燃料制造能力需求分析

從表3可以看出[7]，目前全世界有14個(gè)國(guó)家建有輕水堆燃料制造廠。全世界鈾燃料制造能力約為13 669 t/a。阿?，m（Areva）、GNF（Global Nuclear Fuel)和西屋電氣公司（Westinghouse Electric Company)是世界上最大的3個(gè)燃料制造跨國(guó)公司，其中，GNF主要從事沸水堆燃料的制造。阿?，m提供的數(shù)據(jù)中，輕水堆全球年需求量約為6 000 tHM，其中，壓水堆為4 000 tHM，沸水堆為2 000 tHM；全球總的制造能力，對(duì)壓水堆為5 000 tHM/a，對(duì)沸水堆為3 100 tHM/a。

由此可以得出結(jié)論：全球整體燃料制造能力過(guò)剩，造成供大于求，各國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。

表3 世界各國(guó)核燃料鈾制造能力（UO2）/（t/a）Table3 Fuel manufacturing capacity around the world （UO2）/（t/a）

4.1.2 我國(guó)燃料制造需求趨勢(shì)預(yù)測(cè)

圖8給出了對(duì)我國(guó)核燃料制造需求趨勢(shì)預(yù)測(cè)。2020年我國(guó)核燃料鈾制造能力需求將達(dá)到1 273.2 t，接近目前西屋哥倫比亞廠1 350 t鈾的生產(chǎn)能力。2030年將達(dá)到2 231.2 t，超過(guò)目前阿海琺下屬ROMANS（820 t/a)、LINGEN（650 t/a)和RICHLAND（650 t/a)3個(gè)廠的總生產(chǎn)能力。到2040年我國(guó)對(duì)核燃料制造的需求將達(dá)到3 191.2 t，2050年將達(dá)到4 151.2 t。屆時(shí)，我國(guó)將成為世界上壓水堆燃料制造規(guī)模最大的國(guó)家。

4.2 我國(guó)投運(yùn)核電站的燃料組件

在我國(guó)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的核電站中，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，共使用了以下幾種核燃料組件：秦山一期核電站，于1991年12月并網(wǎng)發(fā)電，采用我國(guó)自主研發(fā)的15×15燃料組件，由中核建中核燃料元件有限公司生產(chǎn)。該組件的設(shè)計(jì)鈾燃耗為25 GW·d/t，經(jīng)過(guò)改進(jìn)現(xiàn)已達(dá)到33 GW·d/t。到目前為止，制造的CQS300燃料組件沒(méi)有一支燃料棒因?yàn)橹圃煸蚨l(fā)生破損，證明我國(guó)自主研發(fā)的這批燃料組件的設(shè)計(jì)和制造是成功的。

大亞灣核電站1號(hào)和2號(hào)機(jī)組，采用法國(guó)AFA-2G燃料組件，設(shè)計(jì)鈾燃耗為33 GW·d/t。首爐料由法方提供。1991年，中核建中核燃料元件有限公司引進(jìn)了法國(guó)AFA-2G燃料組件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，1994年底為大亞灣2號(hào)機(jī)組提供了第一個(gè)換料燃料組件，實(shí)現(xiàn)了AFA-2G燃料組件的國(guó)產(chǎn)化制造，1996—2002年累計(jì)完成13批772組AFA-2G燃料組件的制造任務(wù)，保證了大亞灣電站各次換料，燃料組件質(zhì)量?jī)?yōu)良，在大亞灣反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行7年多，保持了燃料零泄漏，燃料組件無(wú)異常、無(wú)破損、無(wú)變形。

根據(jù)大亞灣核電站實(shí)施的高燃耗換料方案，1998年12月，中核建中核燃料元件有限公司引進(jìn)法國(guó)AFA-3G組件制造技術(shù)，鈾燃料組件燃耗為54 GW·d/t，換料周期從12個(gè)月延長(zhǎng)到18個(gè)月。2002年2月，首批AFA-3G燃料組件裝入大亞灣核電站的2號(hào)機(jī)組堆芯，開(kāi)始商業(yè)運(yùn)行；2002年4月，大亞灣1號(hào)機(jī)組裝入AFA-3G高性能燃料組件，投入商業(yè)運(yùn)行。2005年9月26日大修換料時(shí)，首批的52個(gè)AFA-3G組件已經(jīng)歷了3個(gè)循環(huán)，無(wú)一破損。

嶺澳核電站1號(hào)和2號(hào)機(jī)組，分別于2002年5月和2003年1月并網(wǎng)發(fā)電，首先采用AFA-2G組件。隨后堆芯采用逐步過(guò)渡的方案，于2003年采用AFA-3G組件。從2003年起，嶺澳核電站啟動(dòng)先進(jìn)燃料管理計(jì)劃，為了在AFA-3G的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提高燃料經(jīng)濟(jì)性，提高組件的卸料燃耗，要求采用法國(guó)全M5-AFA-3G技術(shù)（1/4換料)。中核建中核燃料元件有限公司引進(jìn)了法國(guó)全M5-AFA-3G組件制造技術(shù)。全M5-AFA-3G燃料組件于2007年2月裝入嶺澳核電站開(kāi)始商業(yè)運(yùn)行，截至2007年11月，共生產(chǎn)119組燃料組件。每年節(jié)約24組新燃料組件。

秦山二期核電站1號(hào)和2號(hào)機(jī)組，分別于2002年4月和2004年5月并網(wǎng)發(fā)電，采用AFA-2G燃料組件。堆芯采用逐步過(guò)渡的方案，到2004年采用AFA-3G組件。截至2007年11月，AFA-3G燃料組件累計(jì)生產(chǎn)1 308組，經(jīng)堆內(nèi)運(yùn)行考驗(yàn)，質(zhì)量?jī)?yōu)良，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。大亞灣、嶺澳核電站到2007年末，已入堆1 028個(gè)AFA-3G組件，最高鈾燃耗為48 GW·d/t。

圖8 我國(guó)核燃料鈾制造需求趨勢(shì)預(yù)測(cè)[1]Fig.8 Forecasting of China’s demand trend of nuclear manufacturing

田灣核電站1號(hào)和2號(hào)機(jī)組，分別于2007年5月和2007年8月并網(wǎng)發(fā)電，采用俄羅斯WWER1000燃料組件。首爐和后續(xù)3個(gè)換料由俄方提供，從第4次換料開(kāi)始的后續(xù)換料所需燃料組件，由中核建中核燃料元件有限公司提供。為此我國(guó)從俄方引進(jìn)了適用AES-91型壓水堆核電機(jī)組所需要的WWER1000六邊形核燃料組件制造技術(shù)。2008年8月中旬，WWER1000燃料組件生產(chǎn)線設(shè)備已經(jīng)安裝調(diào)試完畢，生產(chǎn)線初步建成，2009年正式投產(chǎn)，2010年初開(kāi)始為田灣核電站提供第4次換料所需要的核燃料組件。

秦山三期核電站1號(hào)和2號(hào)機(jī)組，分別于2002年12月和2003年7月并網(wǎng)發(fā)電。秦山三期核電站為加拿大CANDU6型重水堆核電站，采用CANDU6型燃料棒束，首爐料由加方提供。

為實(shí)現(xiàn)后續(xù)換料的國(guó)產(chǎn)化，1998年12月，中核北方核燃料元件有限公司引進(jìn)加拿大ZPI公司CANDU6型燃料棒束制造技術(shù)。重水堆元件廠項(xiàng)目建設(shè)于2000年4月1日正式破土動(dòng)工。2002年底開(kāi)始，該廠進(jìn)入正式生產(chǎn)階段。2003年3月27日，國(guó)產(chǎn)化燃料棒束入堆。截至2007年9月30日，CANDU6型燃料棒束共入堆38 743支，出堆30 659支，燃料堆內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)，質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

綜上所述，我國(guó)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的壓水堆核電站目前使用的燃料組件是AFA燃料組件、WWER燃料組件和由我國(guó)自主研發(fā)的秦山一期燃料組件。其中大亞灣、嶺澳一期和秦山二期共6個(gè)機(jī)組，目前采用AFA-3G型17×17方形排列燃料組件；秦山二期擴(kuò)建工程、嶺澳二期機(jī)組和后續(xù)開(kāi)工建設(shè)的福清、方家山、紅沿河、寧德、陽(yáng)江等核電站的核電機(jī)組也將采用AFA-3G型燃料組件；田灣核電站采用WWER燃料組件。

4.3 第三代壓水堆核電站的燃料組件

三門(mén)核電站與海陽(yáng)核電站的AP1000四臺(tái)機(jī)組采用AP1000燃料組件，首爐料由美國(guó)西屋公司提供。從第1次換料開(kāi)始的后續(xù)換料由中方提供。

AP1000燃料組件制造技術(shù)，由國(guó)家核電技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)從美國(guó)西屋公司引進(jìn)。目前，中核北方核燃料元件有限公司已就AP1000核燃料元件生產(chǎn)線建設(shè)與國(guó)家核電技術(shù)公司、中核建中核燃料元件有限公司共同組建了中核包頭核燃料元件股份有限公司，計(jì)劃用首爐換料的成功來(lái)檢驗(yàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的成功。

臺(tái)山核電站的EPR兩臺(tái)機(jī)組，采用了AFA-3GLE或HTP燃料組件。2007年11月26日，法國(guó)阿?，m公司和中廣核簽訂EPR項(xiàng)目協(xié)議，商定由法方提供為期15年的核燃料和燃料組件。據(jù)報(bào)道，中廣核在引進(jìn)法國(guó)EPR核電站時(shí)也引進(jìn)了相應(yīng)的燃料制造技術(shù)。

4.4 我國(guó)核燃料元件的制造能力

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)，我國(guó)形成了南北兩個(gè)核燃料制造基地。其中，中核建中核燃料元件有限公司目前具有約250 t/a壓水堆核燃料元件制造能力，元件生產(chǎn)線擴(kuò)建工程正在進(jìn)行，目前已完成全部設(shè)備的安裝和調(diào)試。擴(kuò)建完成后將達(dá)到約400 t/a的制造能力。2008年10月16日，國(guó)家核安全局已經(jīng)向該公司正式頒發(fā)了投料批準(zhǔn)書(shū)。

中核北方核燃料元件有限公司目前具有約200 t/a CANDU6型鈾燃料棒束制造能力。新的壓水堆核燃料元件生產(chǎn)線土建已經(jīng)全面完工，已于2008年底完成設(shè)備安裝，2009年下半年進(jìn)行了試生產(chǎn)并完成合格性鑒定，計(jì)劃于2010年正式投產(chǎn)。該條生產(chǎn)線先期建設(shè)將形成200 t/a的AFA-3G燃料組件制造能力，預(yù)留400 t/a規(guī)模的擴(kuò)充接口。組建中的中核包頭核燃料元件股份有限公司，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為400 t/a AP1000燃料組件的制造能力。到2013年將具備生產(chǎn)AP1000核燃料元件的能力。

4.5 核用鋯合金材料

4.5.1 我國(guó)核燃料組件使用的鋯合金材料

核用鋯合金材料是核電站制造核燃料組件的關(guān)鍵材料。秦山核電站一期核燃料組件，采用Zr-4合金（Zr-Sn)包殼管及材料。在20世紀(jì)80年代，我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的Zr-4合金包殼管，成功裝備了秦山核電站，自1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電以來(lái)，其包殼管材沒(méi)有出現(xiàn)破損現(xiàn)象，這標(biāo)志著我國(guó)生產(chǎn)的Zr-4合金已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。改進(jìn)的Zr-4合金（低錫Zr-4)可滿足燃耗低于40～45 GW·d/t燃料組件的要求。

AFA-3G燃料組件采用法國(guó)的M5合金。M5（Zr-1.0%Nb-0.125%O2)是法國(guó)法杰瑪公司開(kāi)發(fā)的Zr-Nb合金，用作設(shè)計(jì)燃耗為55～60 GW·d/t的AFA-3G燃料組件的包殼管。M5合金經(jīng)歐洲8個(gè)堆和美國(guó)1個(gè)堆的輻照考驗(yàn)證明，該合金的堆內(nèi)腐蝕、輻照增長(zhǎng)和蠕變都小于低錫Zr-4合金。中方已引進(jìn)了法國(guó)M5合金包殼管制造技術(shù)，但是技術(shù)轉(zhuǎn)讓至今沒(méi)有完成。因此，目前我國(guó)每年所需的M5合金包殼管及材料均從國(guó)外進(jìn)口。

WWER1000燃料組件，采用俄羅斯的E110（Zr-1%Nb)合金。E110合金包殼管軋制技術(shù)已在田灣項(xiàng)目中轉(zhuǎn)讓給中方（西北鋯管廠）。中核建中核燃料元件有限公司按計(jì)劃于2010年初，為田灣核電站提供第4次換料所需要的核燃料組件將采用國(guó)產(chǎn)的E110合金包殼管。

CANDU6型燃料棒束，采用Zr-4合金。中方引進(jìn)了加方ZPI公司的包殼和各種板、棒、絲材的制造技術(shù)，技術(shù)轉(zhuǎn)讓基本完成。國(guó)產(chǎn)化制造未完成，目前所需鋯管從加方ZPI公司進(jìn)口。

AP1000核燃料組件，采用美國(guó)的Zirlo合金。美國(guó)西屋公司在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的Zirlo合金（Zr-1.0%Nb-1.0%Sn-1.0%Fe)，是Zr-Sn和Zr-Nb合金的綜合，兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)。用Zirlo合金制造的組件燃耗，1992年達(dá)55 GW·d/t。Zirlo合金1995年達(dá)到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。

4.5.2 核級(jí)鋯生產(chǎn)鏈的建設(shè)

我國(guó)在引進(jìn)AP1000核燃料元件制造技術(shù)的同時(shí)，也引進(jìn)了西屋鋯材生產(chǎn)鏈的全部技術(shù)，包括海綿鋯生產(chǎn)、合金熔煉、條帶和管材制造等在內(nèi)的全部生產(chǎn)工藝。引進(jìn)協(xié)議要求首爐換料元件用上國(guó)產(chǎn)化的鋯材和制品，以此來(lái)檢驗(yàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的成功與否。由國(guó)家核電技術(shù)公司和寶鈦集團(tuán)有限公司共同出資組建的國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份有限公司受讓西屋鋯材生產(chǎn)鏈的全部技術(shù)，將形成完整的鋯生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈。現(xiàn)有100 t/a核級(jí)鋯管材的生產(chǎn)能力，計(jì)劃在3年內(nèi)形成年產(chǎn)1 000 t核級(jí)海綿鋯、500 t核級(jí)成品鋯材、500 t工業(yè)鋯的生產(chǎn)規(guī)模。

4.6 我國(guó)核燃料制造技術(shù)的進(jìn)展

涉及核燃料制造技術(shù)的轉(zhuǎn)讓從1991年算起，至今已有18年，如果把2013年我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)AP1000核燃料元件作為這一輪技術(shù)引進(jìn)的結(jié)束的話，時(shí)間跨度為23年。

在20多年的時(shí)間里，我國(guó)先后引進(jìn)了法國(guó)的M310核電技術(shù)、俄羅斯的WWER1000核電技術(shù)、加拿大的CANDU6核電技術(shù)和現(xiàn)在正在引進(jìn)過(guò)程中的第三代核電技術(shù)——美國(guó)西屋公司的AP1000核電技術(shù)和法國(guó)阿?，m公司的EPR核電技術(shù)。與此相對(duì)應(yīng)，我國(guó)核燃料制造技術(shù)先后引進(jìn)了法國(guó)AFA-2G、AFA-3G與全M5 AFA-3G三種核燃料制造技術(shù)，俄羅斯WWER1000核燃料制造技術(shù)，加拿大CANDU6核燃料制造技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了制造本地化。目前正在引進(jìn)美國(guó)AP1000核燃料制造技術(shù)以及法國(guó)EPR核燃料制造技術(shù)，并將實(shí)現(xiàn)制造本地化。

我國(guó)還先后引進(jìn)了法國(guó)M5合金包殼管制造技術(shù)，俄羅斯E110合金包殼管制造技術(shù)，加拿大CANDU6型燃料棒束的包殼和各種板、棒、絲材的制造技術(shù)。三代核電招標(biāo)引進(jìn)了美國(guó)西屋公司鋯材生產(chǎn)鏈的全部技術(shù)，將在3～5年時(shí)間內(nèi)形成我國(guó)完整的鋯生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈。

核電技術(shù)的多樣性，實(shí)質(zhì)上帶來(lái)了核燃料元件的多樣性和嚴(yán)重的技術(shù)壁壘。燃料制造不同于其他燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)。天然鈾、轉(zhuǎn)化和鈾濃縮提供的產(chǎn)品屬于通用產(chǎn)品，具有原材料的特征。而燃料組件是核反應(yīng)堆的核心部件，是非常復(fù)雜的工程產(chǎn)品，要通過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的審評(píng)以及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。作為專(zhuān)用產(chǎn)品的核燃料組件是專(zhuān)門(mén)為某一種特定的堆型，甚至有時(shí)是為某一個(gè)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)制造的。這是燃料制造在燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)中的特殊性，應(yīng)該對(duì)此有充分的認(rèn)識(shí)。例如，法國(guó)的AFA系列核燃料組件既不能用于俄羅斯的WWER100反應(yīng)堆，也不能用于西屋公司的AP1000反應(yīng)堆，反之亦然（起碼目前不能）。每次技術(shù)引進(jìn)的核心是通過(guò)引進(jìn)該特定燃料的制造和檢驗(yàn)要求和相應(yīng)的專(zhuān)利工藝技術(shù)，取得該特定燃料的制造許可、直接批量制造并入堆使用。應(yīng)該說(shuō)通過(guò)這一輪引進(jìn)，我國(guó)燃料組件的制造技術(shù)水平和能力已接近或達(dá)到國(guó)際水平。

5 挑戰(zhàn)和對(duì)策

5.1 我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

目前，我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)有很多。

我國(guó)核燃料循環(huán)前端產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模小，裝備和技術(shù)水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比有比較大的差距，不足以支撐我國(guó)核電建設(shè)的大發(fā)展。我們應(yīng)該如何根據(jù)我國(guó)核電快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，擴(kuò)大產(chǎn)能、提高水平，保障我國(guó)核電的可持續(xù)發(fā)展？

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是一個(gè)充分市場(chǎng)化的國(guó)際化的產(chǎn)業(yè)。世界各核大國(guó)都關(guān)注著我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)這塊大蛋糕。我們應(yīng)該如何面對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，在開(kāi)放的、全球化的框架中考慮我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是整個(gè)核工業(yè)的基礎(chǔ)，事關(guān)國(guó)家安全。世界各核大國(guó)都十分重視對(duì)本國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的保護(hù)。開(kāi)放和保護(hù)是矛盾的統(tǒng)一體。我們應(yīng)該如何考慮、研究和落實(shí)對(duì)我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的保護(hù)政策？

國(guó)內(nèi)核電大發(fā)展引發(fā)了對(duì)舊有體制的巨大沖擊，在核電領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)已經(jīng)形成。舊有的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)體制必然也會(huì)受到?jīng)_擊。我們應(yīng)該如何積極應(yīng)對(duì)、研究和調(diào)整核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)體制，避免無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)？

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)大國(guó)并不一定是核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)。我們應(yīng)該如何加強(qiáng)行政協(xié)調(diào)，整合全國(guó)資源，搞好頂層設(shè)計(jì)，在開(kāi)放的全球化的框架中進(jìn)行高水平的創(chuàng)新？

5.2 加強(qiáng)對(duì)策研究

我們需要認(rèn)清形勢(shì)，轉(zhuǎn)變觀念，思想要適應(yīng)已經(jīng)發(fā)生巨大變化的形勢(shì)。我國(guó)將成為世界上核電規(guī)模最大的國(guó)家，與之相對(duì)應(yīng)，我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)也必將成為世界上最大規(guī)模的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)。我們當(dāng)代核工業(yè)人正在為之努力奮斗，把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這是我們光榮而崇高的使命。

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是全體核工業(yè)人的事業(yè)，要加強(qiáng)行政領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)，統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，加速調(diào)整體制，積極推進(jìn)建立以股份制為核心的現(xiàn)代企業(yè)制度，防止無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，防止把集團(tuán)利益置于國(guó)家利益之上的事情發(fā)生，促進(jìn)我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

要加強(qiáng)對(duì)策研究，要像制定核電發(fā)展規(guī)劃一樣，制定國(guó)家層面的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，確定技術(shù)發(fā)展路線圖，積極推動(dòng)我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

[1] 李冠興. 我國(guó)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[J].鈾礦地質(zhì)，2008，24（5）：258.

[2] Australian Uranium Association [R]. Table of the World PoWtr Reactor，2008，1.

[3] Australian Uranium Association[R]. Table of the World PoWtr Reactor，2008，1.

[4] British Geological Survey，Uranium[R]，2007,3.

[5] WNA. The Nuclear Fuel Cycle[R]，2007,1.

[6] WNA. Uranium Enrichment[R]，2007,10.

[7] World Nuclear Fuel Facilities（2007)WISE Uranium Project[R].