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(yīng)堆)會成為我國反應(yīng)堆“走出去”的起點(diǎn)。20世紀(jì)八九十年代，從微堆研制、開發(fā)到商業(yè)推廣應(yīng)用，中核集團(tuán)原子能院人經(jīng)歷了一段從艱苦創(chuàng)業(yè)到創(chuàng)造輝煌的歷程，在國內(nèi)外先后設(shè)計(jì)建成9座微堆，為國家創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目又在國際舞臺上大放異彩。

我國第一座微型中子源反應(yīng)堆

攻堅(jiān)迎挑戰(zhàn) 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(kuò)散。”中核集團(tuán)原子能院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所微堆低濃化項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李義國表示。國際原子能機(jī)構(gòu)(iaea)曾多次提出，希望對微堆燃料實(shí)施低濃鈾轉(zhuǎn)化，并建議首先在原子能院微堆上進(jìn)行高濃鈾的低濃化轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。

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(zhuǎn)化后仍利用原有筒體裝料運(yùn)行。改造后的微堆可以滿足原微堆的所有功能，同時(shí)固有安全性能更好，燃料使用壽命更長。而這些對于物理設(shè)計(jì)、燃料組件設(shè)計(jì)制造、裝卸料、實(shí)驗(yàn)調(diào)試等諸多環(huán)節(jié)，都提出了更高的要求。

從2006年開始，微堆研究室團(tuán)隊(duì)就多次參加iaea組織的微型反應(yīng)堆低濃化會議，對微堆低濃化的可行性進(jìn)行計(jì)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(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，因?yàn)橹荒苁芟抻谠卸研究臻g作出合理調(diào)整，這大大增加了設(shè)計(jì)難度。

通過反復(fù)的理論計(jì)算和力學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)最終的低濃鈾堆芯設(shè)計(jì)做到了“兩全其美”，能夠同時(shí)滿足物理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

然而，從設(shè)計(jì)成功到付諸實(shí)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(shí)現(xiàn)微堆低濃化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原子能院研究團(tuán)隊(duì)調(diào)研了國內(nèi)多家反應(yīng)堆燃料生產(chǎn)廠家，僅有一家可實(shí)現(xiàn)供貨，而有限的加工工藝水平也對堆芯設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的反復(fù)論證和修改，低濃鈾的設(shè)計(jì)方案終于得以出爐。

原子能院微堆低濃化項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

團(tuán)結(jié)創(chuàng)合力 勇挑大梁擔(dān)重任

一個(gè)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)會產(chǎn)生無盡的凝聚力，即便遇到再大的困難，也能團(tuán)結(jié)一心、全力攻克。低濃鈾燃料加工制造完成后，團(tuán)隊(duì)成員馬不停蹄地進(jìn)入到安裝調(diào)試階段。

值班長是微堆零功率實(shí)驗(yàn)的核心人物，全面負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)做出正確判斷，由于每班次的實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)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(fù)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(gè)人的手上都裂開了一道道口子，他們?nèi)匀幌?ldquo;繡花”一般謹(jǐn)慎細(xì)致地操作;實(shí)驗(yàn)布置和部件裝配人員，受限于實(shí)驗(yàn)堆坑尺寸的狹小擁擠，需要趴在筒體上才能探身用手將結(jié)構(gòu)部件調(diào)整合適……

在夜以繼日的工作節(jié)奏下，加班早已是家常便飯，高強(qiáng)度的工作對每個(gè)人的體力和腦力都是很大的考驗(yàn)，但大家都全心全意投入其中，從實(shí)驗(yàn)、維修、應(yīng)急等各方面做好準(zhǔn)備，確保裝置的正常運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)的順利開展。最終，低濃鈾堆芯的零功率實(shí)驗(yàn)圓滿完成，為實(shí)施原型微堆低濃化改造奠定了基礎(chǔ)。

由于高濃鈾乏燃料具有很強(qiáng)的放射性，并且只能經(jīng)由堆筒體頂部卸出，相應(yīng)的裝卸料技術(shù)在國際上沒有參照。同時(shí)，低濃化改造也對反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了新的要求。面對這一系列難題，研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借在微堆設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)等方面長期積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了一整套低濃化轉(zhuǎn)化技術(shù)，并成功應(yīng)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(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，也為國內(nèi)外微堆低濃化改造提供了重要依據(jù)，積累了測量和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在原型微堆低濃化改造成功實(shí)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(yán)承諾

微堆低濃化工作不單是在科學(xué)的世界里探求真諦，還需在多方合作的進(jìn)程中尋求共贏，用科學(xué)的態(tài)度攻克一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，以協(xié)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(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)下，2014年，加納、中國和美國共同推進(jìn)加納微堆低濃化改造項(xiàng)目，中國負(fù)責(zé)提供低濃鈾燃料、承擔(dān)零功率實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場技術(shù)支持等工作。

原子能院技術(shù)人員在加納現(xiàn)場進(jìn)行裝料操作

2017年當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月10日上午12:27，加納微堆成功實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)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(jī)緩緩降落于河北石家莊正定國際機(jī)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(xiàng)目圓滿收官。中國踐行了在核安全峰會上的莊嚴(yán)承諾，為國際防止核擴(kuò)散作出重要貢獻(xiàn)，彰顯了中國能力和中國責(zé)任。該工作所創(chuàng)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(shù)支撐和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2018年12月，“加納模式”再續(xù)新篇——尼日利亞微堆低濃化改造項(xiàng)目圓滿完成，為減少并最終消除民用高濃鈾燃料貢獻(xiàn)了中國力量，也為兩國開展反應(yīng)堆物理研究和培養(yǎng)專業(yè)人才創(chuàng)造了有利條件。如今，微堆低濃化的成功實(shí)施已為微堆在國際市場上的推廣打開新局面，多個(gè)國家對低濃鈾微堆表達(dá)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(tuán)原子能院研究團(tuán)隊(duì)將協(xié)同一心、再接再厲，為我國核工業(yè)發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)，為國際微堆低濃化和世界和平利用核能提供技術(shù)支持。