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一、從一根鋯管到國(guó)際突破：核動(dòng)力院的八年長(zhǎng)征

2024年8月27日，上海福宜真空設(shè)備有限公司的廠房?jī)?nèi)，一組泛著冷冽金屬光澤的4米長(zhǎng)Cr涂層鋯合金包殼管整齊排列。隨著專家組在驗(yàn)收?qǐng)?bào)告上落下最后一個(gè)簽名，由中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院牽頭研制的國(guó)內(nèi)首套核電耐事故燃料（ATF）先導(dǎo)組件用Cr涂層鋯合金包殼產(chǎn)品正式交付。這一刻，中國(guó)成為全球第三個(gè)掌握全尺寸Cr涂層包殼管批量生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)家。“這是從‘0’到‘1’的突破，更是從‘1’到‘100’的跨越。”項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人張瑞謙凝視著驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)，思緒被拉回八年前——那個(gè)以“一個(gè)人、一根管”為起點(diǎn)的故事。

2018年，作為技術(shù)負(fù)責(zé)人的張瑞謙接到一項(xiàng)看似“不可能完成”的任務(wù)：在一年內(nèi)完成Cr涂層鋯合金包殼輻照樣件制備并實(shí)現(xiàn)入堆驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)才剛剛利用Zr合金板材論證收斂確定選用Cr作為涂層材料，國(guó)內(nèi)還從未有過(guò)在米級(jí)鋯合金管上制備過(guò)Cr涂層的經(jīng)歷。“我扛著一米多長(zhǎng)的鋯合金管，跑遍了大半個(gè)中國(guó)。”張瑞謙回憶道。從成都到西安，從南通到長(zhǎng)沙，從重慶到上海，他帶著樣管拜訪了十余家科研單位和企業(yè)。彼時(shí)，國(guó)內(nèi)普遍采用“分段鍍膜”工藝，但核燃料元件需要的是4米長(zhǎng)無(wú)縫涂層管，技術(shù)難度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

凌晨四點(diǎn)半的鬧鐘成了他的生物鐘。連續(xù)兩個(gè)月，他每天凌晨驚醒，反復(fù)推演涂層均勻性、結(jié)合力、高溫穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。在與團(tuán)隊(duì)核心骨干王昱的反復(fù)討論中，他們有了新的想法：“傳統(tǒng)靜態(tài)沉積必然導(dǎo)致兩端厚度差異，如果讓鋯管在真空腔體內(nèi)同時(shí)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)呢？”這個(gè)被稱為“動(dòng)態(tài)平衡沉積法”的創(chuàng)新思路，最終在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)突破。同年12月，這根凝聚著心血的Cr涂層管順利入堆，輻照后拉伸10%涂層無(wú)脫落，為技術(shù)路線驗(yàn)證撕開(kāi)了一道曙光。

全尺寸Zr合金包殼Cr涂層沉積裝置

二、爭(zhēng)分奪秒，特征化組件研制急行軍

2019年年底，核動(dòng)力院與上海福宜真空設(shè)備有限公司組建聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，向全尺寸Cr涂層制備裝備發(fā)起攻堅(jiān)，瞄準(zhǔn)2021年特征化組件入堆輻照的節(jié)點(diǎn)全力沖刺。2020年年初，團(tuán)隊(duì)面臨著針對(duì)4m長(zhǎng)涂層包殼管“無(wú)裝備、無(wú)場(chǎng)地、無(wú)工藝”的三重困境，加之突如其來(lái)的新冠疫情全國(guó)管控，工作推進(jìn)異常艱難，然而，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)3個(gè)月的裝備設(shè)計(jì)和3個(gè)月的組裝調(diào)試，團(tuán)隊(duì)最終將這臺(tái)設(shè)備妥善安頓下來(lái)了。

在上海福宜真空設(shè)備有限公司的廠房里，機(jī)械工程師正趴在4.6米高的裝備真空腔體上，用千分尺測(cè)量焊縫精度。“傳統(tǒng)拼接工藝會(huì)產(chǎn)生200多個(gè)漏點(diǎn)，我們得造出國(guó)內(nèi)首臺(tái)超大型PVD裝置無(wú)焊縫真空容器。”團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)明“厚板整體彎折無(wú)焊縫成型技術(shù)”，將20毫米厚不銹鋼板一次性彎折成直徑1.5米的圓柱體。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了超大立式平秱式前開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)、耐高溫磁流體密封技術(shù)，將抽氣速度提升至30分鐘達(dá)10-4Pa，實(shí)現(xiàn)了超大腔體10-5Pa級(jí)別的高動(dòng)密封以及安全系數(shù)2.5級(jí)的高強(qiáng)度。

腔體結(jié)構(gòu)解決后，接下來(lái)面臨的難題就是決定沉積質(zhì)量的關(guān)鍵因素：弧源。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)明電磁/永磁復(fù)合磁源技術(shù)、高頻脈沖弧電源及高速引弧技術(shù)、雙源磁約束弧源結(jié)構(gòu)、自主面水冷卻結(jié)構(gòu)、裝配間隙穩(wěn)弧結(jié)構(gòu)和等離子濃度半峰寬弧源布局5大技術(shù)，解決了弧源可靠性、批量制備沉積速率低、軸向均勻性控制難、靶材利用率低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)90%的高離化率、60%的靶材利用率、跑弧/熄弧概率<3%的高可靠性以及軸向厚度偏差<10%的高軸向均勻。

在隨后的批量化生產(chǎn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)明抗彎曲裝載技術(shù)、高頻脈沖弧工藝技術(shù)、有效抑弧運(yùn)維保障技術(shù)，解決了細(xì)長(zhǎng)管件裝載難、大規(guī)模制備涂層沉積速率低、連續(xù)批制備不穩(wěn)定的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)管件零彎曲、規(guī)模化高效沉積和高可靠生產(chǎn)，達(dá)到30支/爐生產(chǎn)水平。2021年11月，團(tuán)隊(duì)制備的Cr涂層包殼特征化組件經(jīng)過(guò)工藝鑒定及產(chǎn)品鑒定的嚴(yán)苛質(zhì)量審查后，順利入商用堆輻照。

2022年，這臺(tái)凝聚著300多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新的設(shè)備依托“華龍一號(hào)”項(xiàng)目進(jìn)行裝備研制鑒定，于俊崇院士為專家組長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專家的討論決議后，最終的專家鑒定意見(jiàn)中留下了這樣的描述：“該項(xiàng)目自主研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)套核電耐事故鋯合金Cr涂層包殼制備裝備，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域空白，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)品，達(dá)到國(guó)際同類裝置先進(jìn)水平”。

三、水下0.1微米的生死時(shí)速：池邊檢查攻堅(jiān)戰(zhàn)

特征化組件入商用堆輻照經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)后的2023年5月，福建福清核電站燃料水池邊，一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)役已經(jīng)打響。核動(dòng)力院池邊檢查團(tuán)隊(duì)需要在24小時(shí)內(nèi)，完成國(guó)內(nèi)首次Cr涂層組件水下檢測(cè)——這不僅是技術(shù)首秀，更關(guān)乎整個(gè)ATF項(xiàng)目的未來(lái)發(fā)展。

在核電燃料池邊檢查實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目組面臨異物風(fēng)險(xiǎn)、輻射風(fēng)險(xiǎn)、吊裝風(fēng)險(xiǎn)、臨邊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)以及燃料操作風(fēng)險(xiǎn)。檢查組長(zhǎng)高三杰穿著30斤重的鉛衣，緊盯監(jiān)控屏幕。傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備在強(qiáng)輻射下會(huì)產(chǎn)生70%的雪花噪點(diǎn)。為此，青年黨員突擊隊(duì)三天三夜未合眼，開(kāi)發(fā)出“時(shí)空域自適應(yīng)濾波算法”，硬是將圖像清晰度提升80%。更棘手的是微米級(jí)厚度測(cè)量：15—30微米的Cr涂層需與鋯基體氧化膜區(qū)分檢測(cè)，誤差必須小于0.1微米。團(tuán)隊(duì)發(fā)明“雙頻渦流傳感器”，利用Cr與Zr氧化膜電導(dǎo)率差異，實(shí)現(xiàn)了水下無(wú)損精準(zhǔn)測(cè)量。當(dāng)?shù)谝淮窝h(huán)后的池邊檢查數(shù)據(jù)按時(shí)提交時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)爆發(fā)了熱烈的掌聲。

而2025年1月的第二次循環(huán)后的池邊檢查，無(wú)論是檢測(cè)項(xiàng)目還是檢測(cè)工作量較第一次都大幅增加。特別是池邊檢查設(shè)備在燃料水池下水環(huán)境中經(jīng)過(guò)近兩年的存放，對(duì)于設(shè)備使用狀態(tài)要求極高。第二次池邊檢查結(jié)果對(duì)先導(dǎo)組件入堆數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)的影響更為直接，這給檢測(cè)團(tuán)隊(duì)及研制團(tuán)隊(duì)都帶來(lái)了極大壓力。第二次池邊持續(xù)工作近2月，檢測(cè)團(tuán)隊(duì)圓滿完成了所有檢查工作，獲得的數(shù)據(jù)有利地支撐了Cr涂層包殼的后續(xù)研發(fā)，為項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)吃了一顆定心丸。

先導(dǎo)組件源地驗(yàn)收

四、90支管的“生死劫”：量產(chǎn)化突圍戰(zhàn)

特征化組件的輻照數(shù)據(jù)推動(dòng)著先導(dǎo)組件的研發(fā)之路。先導(dǎo)組件所需管材數(shù)量急劇增加，制備壓力陡增。“必須要完成產(chǎn)能擴(kuò)充并通過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行驗(yàn)證”。面對(duì)巨大壓力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)討論后做出了決策。但當(dāng)設(shè)備從“一爐30支”升級(jí)至“一爐90支”時(shí)，困難開(kāi)始涌現(xiàn)。

2023年5月20日凌晨4點(diǎn)，一陣刺耳的電話鈴聲劃破夜空——“轉(zhuǎn)架卡死了！”工藝工程師發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)軸陶瓷軸承碎裂，價(jià)值數(shù)十萬(wàn)的爐次面臨報(bào)廢。團(tuán)隊(duì)核心骨干陳寰現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷耐溫僅400℃，而實(shí)際工況達(dá)450℃。緊急更換碳化硅陶瓷軸承后，又設(shè)計(jì)“動(dòng)態(tài)平衡補(bǔ)償”結(jié)構(gòu)，通過(guò)180個(gè)微型電磁鐵實(shí)時(shí)調(diào)整夾持力，終于讓轉(zhuǎn)架在高溫下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。更大的麻煩在第七爐試驗(yàn)過(guò)程中爆發(fā)：由于新舊弧源護(hù)罩公差僅差0.02毫米，導(dǎo)致等離子體散射，整爐產(chǎn)品表面出現(xiàn)詭異色斑。“兩個(gè)護(hù)罩肉眼幾乎無(wú)法分辨，就像手術(shù)刀差了半根頭發(fā)絲的精度。”福宜現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)立即啟動(dòng)變更管理回溯，建立“雙人三查”制度，將人為失誤率從1%壓至0.05%。

為徹底解決長(zhǎng)尺寸管材裝載構(gòu)件大批量裝載易干擾、大型轉(zhuǎn)架高溫運(yùn)行易卡頓、大型設(shè)備批量生產(chǎn)維護(hù)保養(yǎng)控制難等問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)6個(gè)月，設(shè)計(jì)了基于從動(dòng)齒輪雙層結(jié)構(gòu)的行星式二維轉(zhuǎn)架。轉(zhuǎn)架采用承載主軸承外置結(jié)構(gòu)和一體化全金屬耐高溫自轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還建立了一整套細(xì)致的批間維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程，終于實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾大裝載量（90支/爐 ）、高溫零卡頓（450℃）、周向高均勻（ 偏差<3%）等技術(shù)能力，為先導(dǎo)組件批量生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

至2024年8月，團(tuán)隊(duì)累計(jì)交付2000余支產(chǎn)品，良率達(dá)99%，支撐4組先導(dǎo)組件制造。期間形成的15份工藝標(biāo)準(zhǔn)、5項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建起Cr涂層包殼制備的“護(hù)城河”，為未來(lái)批量生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2024年8月，先導(dǎo)組件Cr涂層包殼管材順利通過(guò)源地驗(yàn)收。這使中國(guó)成為全球第三個(gè)完成Cr涂層包殼先導(dǎo)組件研制的國(guó)家，具有重要里程碑意義。

五、從跟跑到領(lǐng)跑：中國(guó)方案的全球突圍

如今，核動(dòng)力院已建成全球領(lǐng)先的Cr涂層包殼產(chǎn)業(yè)鏈，年產(chǎn)能突破萬(wàn)支。這項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)的不僅是安全革命——燃料棒燃耗躍升，單臺(tái)機(jī)組年省換料成本顯著；更是國(guó)際話語(yǔ)權(quán)的顛覆：團(tuán)隊(duì)發(fā)表的43篇論文被美、法、日等國(guó)廣泛引用，6項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

2023年11月，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司在北京組織專家召開(kāi)科技鑒定會(huì)，葉奇蓁院士任組長(zhǎng)。當(dāng)天的鑒定會(huì)對(duì)核動(dòng)力院承擔(dān)的“鋯合金包殼表面Cr涂層制備工藝與性能評(píng)價(jià)技術(shù)”項(xiàng)目進(jìn)行了如此評(píng)價(jià)：“技術(shù)難度大，創(chuàng)新性強(qiáng)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，核心技術(shù)自主可控，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中沉積速率與涂層結(jié)合力等國(guó)際領(lǐng)先，具有顯著的經(jīng)濟(jì)/社會(huì)效益與推廣應(yīng)用前景。”

2024年，“鋯合金表面Cr涂層制備與評(píng)價(jià)技術(shù)”榮獲中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

六、結(jié)語(yǔ)

八年間，那些凌晨四點(diǎn)半的星光、真空腔體前的汗水、燃料水池邊的堅(jiān)守，早已化作中國(guó)核工業(yè)人最鏗鏘的宣言。從一根鋯管的孤勇探索，到問(wèn)鼎國(guó)際先進(jìn)水平；從被技術(shù)封鎖的困境，到制定全球行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——Cr涂層包殼技術(shù)的突破，不僅筑牢了核電安全屏障，更讓中國(guó)在核燃料競(jìng)技場(chǎng)上完成了從追隨者到引領(lǐng)者的華麗蛻變。這，正是大國(guó)重器最深沉的力量。