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。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)計建成9座微堆，為國家創(chuàng)造了巨大的經(jīng)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(yīng)堆

攻堅迎挑戰(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散。”中核集團原子能院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所微堆低濃化項目負(fù)責(zé)人李義國表示。國際原子能機構(gòu)(iaea)曾多次提出，希望對微堆燃料實施低濃鈾轉(zhuǎn)化，并建議首先在原子能院微堆上進行高濃鈾的低濃化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計、燃料組件設(shè)計制造、裝卸料、實驗調(diào)試等諸多環(huán)節(jié)，都提出了更高的要求。

從2006年開始，微堆研究室團隊就多次參加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(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，因為只能受限于原有堆芯空間作出合理調(diào)整，這大大增加了設(shè)計難度。

通過反復(fù)的理論計算和力學(xué)分析，研究團隊最終的低濃鈾堆芯設(shè)計做到了“兩全其美”，能夠同時滿足物理和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

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

原子能院微堆低濃化項目團隊

團結(jié)創(chuàng)合力 勇挑大梁擔(dān)重任

一個優(yōu)秀的團隊會產(chǎn)生無盡的凝聚力，即便遇到再大的困難，也能團結(jié)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(diào)試階段。

值班長是微堆零功率實驗的核心人物，全面負(fù)責(zé)整個實驗，需要在出現(xiàn)突發(fā)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(fù)責(zé)實驗數(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(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(yīng)急等各方面做好準(zhǔn)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(chǔ)。

由于高濃鈾乏燃料具有很強的放射性，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，低濃化改造也對反應(yīng)堆實驗技術(shù)提出了新的要求。面對這一系列難題，研究團隊?wèi){借在微堆設(shè)計、建造、運行與實驗等方面長期積累的技術(shù)經(jīng)驗，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)，積累了測量和試驗數(shù)據(jù)。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(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程中尋求共贏，用科學(xué)的態(tài)度攻克一個個技術(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(gòu)協(xié)調(diào)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(fù)責(zé)提供低濃鈾燃料、承擔(dān)零功率實驗和現(xiàn)場技術(shù)支持等工作。

原子能院技術(shù)人員在加納現(xiàn)場進行裝料操作

2017年當(dāng)?shù)貢r間8月10日上午12:27，加納微堆成功實現(xiàn)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(yán)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(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。

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(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(xié)同一心、再接再厲，為我國核工業(yè)發(fā)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(shù)支持。