核燃料龍頭的自動(dòng)化試水

余娜

秋末冬初，金燦燦的蘆葦隨風(fēng)搖擺，舞動(dòng)著專屬西北特色的美景。艷陽(yáng)高照，灑向賽汗塔拉城中草原深處挺拔的敖包，寒意愈發(fā)濃烈。

在距離這片全世界最大的城中草原以北10公里處，占地12平方公里的中核北方核燃料基地機(jī)器轟鳴，為越發(fā)寒冷的原野帶來(lái)些許暖意。

這里，是始建于1958年的北方核燃料大本營(yíng)——中核北方核燃料元件有限公司（又稱“202廠”）的所在地。它不僅是我國(guó)首個(gè)核燃料元件和核材料生產(chǎn)科研基地，也是目前國(guó)內(nèi)唯一一家具備CANDU-6型重水堆、重水堆鈷調(diào)節(jié)棒、AFA3G壓水堆、AP1000壓水堆和高溫氣冷堆5條核電燃料元件生產(chǎn)線的全國(guó)核電燃料品種最全的生產(chǎn)企業(yè)。

“在保持軍品科研生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，中核北方先后建成了重水堆、壓水堆、AP1000和高溫氣冷堆核電燃料元件生產(chǎn)線，形成了軍工核燃料和核電燃料元件多元化的產(chǎn)業(yè)格局。” 中核北方核燃料元件有限公司執(zhí)行董事、總經(jīng)理馬文軍向《能源》記者介紹。

進(jìn)入新世紀(jì)，202廠大舉進(jìn)入民用核電燃料元件生產(chǎn)領(lǐng)域，已建和在建的生產(chǎn)線達(dá)5條。5條生產(chǎn)線又涵蓋了從“二代加”到三代、四代主要核電技術(shù)的燃料元件需求。

在信息化、數(shù)字化、智能化飛速發(fā)展的今天，我國(guó)這一傳統(tǒng)的核燃料元件供應(yīng)基地也在面臨新的考驗(yàn)。

自動(dòng)化提速

進(jìn)入中核北方廠區(qū)前，一座高達(dá)18米的廠標(biāo)雕塑毅然矗立。這一獨(dú)特的建筑原型正源于該廠的立足之本——核燃料元件。筆挺直立的壓水堆燃料組件模型屹立中央，重水堆燃料元件棒束纏繞其身，代表著第四代高溫氣冷堆燃料的球狀元件則置于最頂端。

隨后，在每進(jìn)入一個(gè)生產(chǎn)車(chē)間，《能源》記者都被要求換上工作人員事先準(zhǔn)備好的白大褂、手套、鞋套、安全帽，甚至是護(hù)目鏡?！斑@是為了防止外來(lái)人員將雜質(zhì)或粉塵帶入生產(chǎn)車(chē)間，以保證燃料元件的清潔度?！?中核北方核燃料元件有限公司總經(jīng)理助理、重水堆核燃料元件廠廠長(zhǎng)張杰解釋。

“金黃色的ADU（重鈾酸銨）分解還原后變成灰黑色的二氧化鈾粉末，經(jīng)過(guò)壓制成為芯塊生坯。通過(guò)生坯上下料自動(dòng)工作站完成碼垛后，生坯由AGV自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)轉(zhuǎn)至下個(gè)工序，再經(jīng)過(guò)22個(gè)小時(shí)的燒結(jié)，二氧化鈾芯塊便基本成型。之后，通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行篩選，并完成烘干、磨削、裝管、端塞焊接等自動(dòng)化環(huán)節(jié)，最終形成燃料棒束。”在重水堆廠的化工車(chē)間，張杰介紹。

2002年，中核北方建成了我國(guó)唯一一條重水堆核電燃料元件生產(chǎn)線，截至目前，已連續(xù)為秦山三期兩臺(tái)重水堆核電機(jī)組提供了燃料棒束14萬(wàn)只。

在芯塊車(chē)間，《能源》記者被外形靚麗的一臺(tái)比利時(shí)R53及一臺(tái)國(guó)產(chǎn)芯塊旋轉(zhuǎn)壓機(jī)吸引。粉末裝填、進(jìn)模具、上下擠壓、生坯、脫模出料，短短一分鐘，這些過(guò)程一氣呵成。

“一臺(tái)芯塊旋轉(zhuǎn)壓機(jī)每分鐘能壓110個(gè)芯塊，大大節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率?！睆埥芙榻B，“2007年，我們便聯(lián)合北京一家壓機(jī)廠研制生產(chǎn)出了新型的國(guó)產(chǎn)壓機(jī)，并成功應(yīng)用于芯塊壓制。”

在控制中心，能夠自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)探測(cè)障礙物、自動(dòng)搬運(yùn)燃料芯塊的AGV機(jī)器人再次吸引了記者的注意。

整理貨架、識(shí)別障礙物、搬運(yùn)生坯、自動(dòng)充電，加上稍顯萌態(tài)的外形模樣，在旁觀察十余分鐘，記者不禁為眼前這臺(tái)AGV機(jī)器人憨態(tài)可掬、任勞任怨的模樣所駐足。

“AGV機(jī)器人，也稱小黃人，是由國(guó)內(nèi)最大的機(jī)器人制造商和集成商沈陽(yáng)新松生產(chǎn)制造，是芯塊制備自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)后的產(chǎn)物，目前根據(jù)使用需求投入使用3臺(tái)。后期，在壓水堆車(chē)間、高溫堆車(chē)間也會(huì)相繼投入使用。”在重水堆車(chē)間的控制中心，張杰指著屏幕上的實(shí)時(shí)畫(huà)面向記者介紹，“公司的自動(dòng)化推進(jìn)策略是由點(diǎn)到面、由易到難?！?/p>

據(jù)悉，除了重水堆燃料元件生產(chǎn)線外，2010年AFA3G壓水堆核電燃料元件生產(chǎn)線投運(yùn)，開(kāi)始為秦山二期、方家山等核電站提供核電燃料組件。

2012年3月28日，我國(guó)唯一的一條AP1000核電燃料元件生產(chǎn)線在中核北方開(kāi)工建設(shè)。就在《能源》記者實(shí)地探訪的兩周前，AP1000核電燃料元件生產(chǎn)線剛剛完成生產(chǎn)線產(chǎn)品合格性鑒定，具備生產(chǎn)AP1000燃料組件的能力。

2013年3月，國(guó)家重大科技專項(xiàng)高溫氣冷堆核電站示范工程的配套工程，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆核電燃料元件生產(chǎn)線，也在該廠開(kāi)工建設(shè)。

“作為我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)和技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的廠房，整個(gè)高溫氣冷堆車(chē)間僅有一臺(tái)進(jìn)口的設(shè)備，就是來(lái)自德國(guó)克萊默的燒結(jié)爐?！?在高溫氣冷堆生產(chǎn)車(chē)間，該廠廠長(zhǎng)助理鄭躍告訴《能源》記者，“從燃料包覆到燃料球壓制再到車(chē)削加工，我們均使用了DCS系統(tǒng)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)化?！?/p>

據(jù)悉，目前該車(chē)間年生產(chǎn)的33直供山東榮成石島灣高溫氣冷堆的示范驗(yàn)證堆使用。“這條生產(chǎn)線的年產(chǎn)量并不算高，但我們更看重它的示范意義和未來(lái)前景?！?/p>

挑戰(zhàn)依存

作為核電站核心部件，核燃料組件的質(zhì)量將直接影響核電站的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

據(jù)悉，自動(dòng)化改進(jìn)之前，點(diǎn)焊、釬焊、涂石墨、端塞焊、芯塊制備、燃料球壓制車(chē)削、核芯燒結(jié)等工序的上料、轉(zhuǎn)運(yùn)、加工、下料等環(huán)節(jié)全部為人工操作，由于人為原因造成的產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，成為難以避免的因素。

“在設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)、生產(chǎn)效率提升、人力資源節(jié)約的內(nèi)部需求和加拿大、美國(guó)、法國(guó)等燃料生產(chǎn)線自動(dòng)化水平相對(duì)較高的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)下，我們緊跟中國(guó)制造2025、工業(yè)4.0國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃的步伐，從2012年開(kāi)始系統(tǒng)實(shí)施燃料元件生產(chǎn)線設(shè)備、系統(tǒng)自動(dòng)化升級(jí)改進(jìn)?！?馬文軍說(shuō)，“自動(dòng)化系統(tǒng)投入使用后，共節(jié)約崗位操作人員56人。按人力成本每年13.8萬(wàn)元計(jì)算，每年人力資源成本節(jié)約772.8萬(wàn)元。”

“以重水堆核燃料生產(chǎn)線為例，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行已超過(guò)14年，設(shè)備自動(dòng)化程度較低，大多數(shù)設(shè)備為純手工操作，效率低、占用人員多、可靠性差。”張杰介紹，“通過(guò)設(shè)備系統(tǒng)的自動(dòng)化改進(jìn)升級(jí)，預(yù)計(jì)到2017年，整個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行及管理人員將不超過(guò)300人，主工藝生產(chǎn)線人員配備將少于200人，初步實(shí)現(xiàn)1噸鈾/人/年的目標(biāo)?！?/p>

事實(shí)上，作為在建核電項(xiàng)目最多的國(guó)家，中國(guó)一直致力于將核燃料加工產(chǎn)業(yè)打造成為“一站式”平臺(tái)。

除中核北方外，地處四川宜賓，享有“南方核燃料基地”之稱的中核建中燃料元件公司也在積極推進(jìn)二代加壓水堆及三代主流核電技術(shù)“華龍一號(hào)”CF系列核燃料元件的制造任務(wù)。

與此同時(shí)，為滿足未來(lái)更多核電項(xiàng)目的用料需求，一南一北兩個(gè)全新的核燃料產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃建設(shè)藍(lán)圖也在緊鑼密鼓的進(jìn)行中。

然而，一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是：目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)的核電機(jī)組中，除秦山一期核電站之外，其余核電機(jī)組所使用的燃料組件技術(shù)，均從核電技術(shù)出口國(guó)引進(jìn)。雖然國(guó)內(nèi)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四代高溫氣冷堆核燃料技術(shù)已經(jīng)起步，但還僅限于示范實(shí)驗(yàn)階段，未進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。

“盡管我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大型核電站燃料元件的國(guó)產(chǎn)化，但制造技術(shù)仍未形成自己的技術(shù)體系，產(chǎn)品缺乏自主品牌，如燃料包殼及格架等在內(nèi)的一些關(guān)鍵原材料還要依賴進(jìn)口?！币晃徊辉妇呙哪茉磳＜蚁颉赌茉础酚浾弑硎?。

與此同時(shí)，也有專家分析，隨著中國(guó)廣東核電集團(tuán)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的4組STEP-12核燃料組件和4組CZ鋯合金樣品管組件輻照考驗(yàn)結(jié)束，以及在海外哈薩克斯坦謀求建設(shè)核燃料組件廠規(guī)劃的落地，都意味著國(guó)內(nèi)核燃料市場(chǎng)供應(yīng)格局將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化。