核燃料作为核反应堆的能量源泉与第一道安全屏障，是核发达国家竞相争抢的战略技术高地，是整个核电产业链封锁最严密的核心技术，具有研发技术难度高、研制周期长、投入经费大的特点。我国核燃料组件市场规模达200亿/年，却长期被法、美、俄等国技术垄断，国外燃料组件品牌占比高达98%，扼住了我国核电安全积极发展的咽喉，限制了自主三代核电技术“走出去”战略目标的实现。为解决核电可持续发展和“卡脖子”问题，生态环境部核与辐射安全中心全面整合三大核电集团优势力量，组建课题研究“国家队”，开展了长达十余年的自主化燃料组件入堆研究，并在国内首次系统开展了自主大型先进压水堆高性能燃料组件的入堆安全评价工作。构建了涵盖核安全导则、审评指南、技术标准规范等的多层级核安全监管体系，完成24份样品管组件、先导棒和先导组件的入堆安全评价，保证了14类（51组 ）燃料组件，16次先导燃料棒和先导燃料组件入堆，完成42个辐照考验循环、50余次池边检查与热室检查，无一自主化燃料发生破损，坚实支撑了我国自主商用压水堆燃料组件的快速、安全、创新发展。“自主化燃料组件入堆标准规范体系和关键技术研究”成果获评2024年度中国核能行业协会科技进步一等奖。

锆合金是怎样炼成的

自主化燃料组件的研发需要解决的首要难题就是燃料棒所用的包壳材料。包壳是装载核燃料芯体的密封外壳，直径9.5毫米、管壁厚度不到1毫米、长近4米，是核反应堆的“第一道安全屏障”。包壳材料的性能和品质直接关系到核燃料元件的质量和安全，若包壳破损或熔化，就可能造成核燃料泄漏和辐射污染扩散，是反应堆最为重要的结构材料。实际上，做包壳用的不是纯锆，而是锆合金，就是在锆中添加了很少的其他金属，而添加的元素种类和含量范围一直是科学界的难题，合金元素的微小差异就可能引起包壳性能的巨大差异，尤其是辐照后性能差异。这种技术只被世界上少数几个国家所掌握。

自主化燃料组件制造

自主化燃料组件堆外性能试验

“好想试一下，自己做锆合金！”这是团队所有人的心声，他们从仿制国外当时有的锆合金（ 锆-2、锆-4）做起，白天在实验室做实验，钻进电子显微镜下的核材料微观世界里观察、思索；晚上在家整理分析实验数据，研究国内外各种技术资料。他们开展了不同比例配方和不同冶炼时间、温场、电场、磁场条件下的系列试验，对得到的试验样品的感观指标、理化指标进行仔细分析研究，历经数个春秋，他们从众多锆合金体系中选出了40多种成分配方，并逐一进行分析筛选、熔炼和测试，筛选出25种候选合金，从中确定了两种新型锆合金，并成功实现了中等规模的试制生产。

成立攻关团队，找准结构创新设计突破口

结构设计是燃料组件研发过程中最先行的环节之一。结构设计出现问题，将影响到后续的燃料组件性能分析与预测、燃料组件制造、堆外性能试验以及堆内辐照考验等各个环节，甚至影响整个研发任务的成败。

为解决燃料组件结构创新设计难题，突破国外知识产权封锁和技转协议限制，他们成立了燃料组件结构设计攻关团队，夜以继日反复论证，寻找结构设计的突破口，为创新设计奠定基础。一方面，快速梳理国外核发达国家在我国申请的与燃料组件结构设计相关的专利60余份，明确专利的限制范围，结合我国压水堆燃料组件设计和制造技术现状，提出自主燃料组件的发展方案。另一方面，根据燃料组件燃耗、热工水力和抗震等技术要求，结合燃料组件主要零部件功能的分解，找准结构创新的突破口，如导向管采用“管中管”结构形式、定位构架采用防勾挂设计等。办公楼道常常灯火通明，攻关团队成员加班加点，积累形成了大量的一手资料。

自主化燃料组件入商用堆辐照考验

汇智聚才，创新创造

自主化燃料组件如何安全、高效、创新发展，面对自主化燃料组件入堆辐照风险控制难、标准规范体系不完善、堆内应用场景重构难、堆外试验技术有短板、多重受限辐照检查难、快速安全评价是空白的多个技术难题，团队认为必须构建自主燃料组件研发及应用全流程标准化路径，提升自主燃料组件安全评价关键技术能力，填补大型商用压水堆燃料组件自主研制空白。

团队在国家相关部委的大力支持下，依托国家科学技术部重点研发计划、国防科技工业局核能开发项目、国家能源局科技重大专项、生态环境部国家核安全局科研课题，针对5项国家级科研项目、10余项集团级科研项目，联合十余家单位开展了深入研究，首次构建了一套完整的、应用范围最广、包容性最强的压水堆燃料组件入堆标准规范体系，为我国自主化燃料组件安全入堆提供了法规标准依据。

我国已有的核安全法规体系中已经包含了对压水堆核动力厂燃料组件的原则性要求，但缺乏对燃料组件开发和工程应用开展核安全审评的具体指导文件。团队对自主化燃料组件研发过程中的材料性能试验、组件及零部件试验、燃料性能设计基准和验收准则的建立、燃料性能分析评价、辐照后检查等上百项技术专题，在我国相关法规标准体系缺失的情况下，开展了大量的调研、分析、实践和技术研究工作。经过十多年的技术审评和研究，完成相关技术专题报告共计30余份，并逐步形成了一套指导自主化商用压水堆燃料组件入堆辐照及应用的研究成果。研究确定了11项包壳材料堆外试验、6项导向管和格架材料堆外试验、20项燃料组件零部件及整体性能试验、11项辐照后池边检查项目、19项辐照后热室检查项目、20项设计基准、28项设计特征说明以及受影响的接口安全评价内容。编制完成《压水堆核动力厂核燃料组件审评指南》，以规范和指导我国压水堆核动力厂燃料组件在目标核动力厂开展先导辐照考验的燃料组件研发、工程应用和核安全审评工作。该指南在国内首次全面、系统地总结了燃料组件的法规标准要求，确立了自主化燃料组件先导考验和批量应用的基准，为设计和审评提供了针对性的技术指导，创建了一套统一、规范的燃料组件安全评价体系，为我国自主研发核燃料组件入堆辐照及工程应用提供了有效的法规依据。针对具体问题，如试验方法、评价方法等，需要制定更为具体的标准规范文件，如行业标准、企业标准、技术专题报告等，团队在国家重点研发计划、核能开发项目、国家科技重大专项等项目的支持下，编制完成了压水堆核电厂燃料组件临界热流密度实验要求、压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法等一系列标准规范文件，用以指导自主化燃料组件入堆辐照及工程应用的具体实施。

核电目前已成为我国能源结构转型、实现“双碳”战略目标最重要的基荷能源。我国核电机组数快速增长，开展自主化燃料组件研制及应用是解决“卡脖子”风险、确保我国核燃料供应链自主可控的必经之路。项目团队建立了自主化燃料组件入堆标准规范体系，突破了燃料组件堆内服役性能—堆外试验验证体系映射、燃料组件快速入堆安全评价等关键技术，构建了自主化燃料组件研发及应用全流程标准化路径。在本项目研究成果支撑下，无一自主化燃料发生破损，既保证了入堆辐照核安全，又促进了自主化燃料组件高效研发，为支撑自主三代核电“走出去”、保障核安全和生态环境奠定了坚实的技术基础，社会效益突出。项目成果可推广应用到全行业内关于自主化燃料组件堆内辐照考验及批量应用的各个环节（ 安全审评、材料研发、堆外试验、堆内考验、辐照后检查、计算分析评价等 ），并用于指导国内其他新型燃料组件的入堆安全评价。项目成果已逐步成为国内核燃料研发的标杆工程，在商用压水堆燃料研发领域形成了良好的示范效应，并引领了其他新型反应堆燃料元件标准规范体系的建立。