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中核北方:创新之光闪耀60年老厂
文章来源:中国核工业报 日期:2018年08月22日

  走在中核北方核燃料元件有限企业办公楼、科研所、生产厂房区间,这些干净整洁、朴实无华的建筑没有现代化大企业的豪华气派,却自有60年老厂的端庄威严;道路两旁绿树成荫,彷佛见证着这里的沧桑流变。

  随着采访的日益深入,记者愈发感受到,与朴实无华的工作环境相对应的,是中核北方的丰富“内涵”:这里是我国第一个完整的核燃料元件生产科研基地,曾建成我国第一条铀化工生产线、第一条金属钙生产线、第一条核燃料元件生产线,从而积淀下从建厂之初就确立的“厂所合一”体制下的雄厚的核燃料元件研制和生产基础;这里如今拥有国内最多的核燃料元件生产线和核燃料元件的品种;这里洋溢着60年荣耀激发的勇争一流的豪情和气螝……

  而与这些紧密相连、相伴而生的,正是中核北方在核燃料研制与核材料研发领域日益增强的创新实力,以及正在以更快的节奏、更高的速度亮相的创新成果。对于从创立之初就承载着自主先进核燃料元件研发攻坚使命的中核北方来说,在坚持创新的同时,“大家也是在储备技术、培养和锻炼人才队伍,为今后的发展不断积蓄新的力量。”中核北方总工程师冯海宁表示。

  燃料元件制造技术:从引进到超越

  近日,由中核北方牵头的大型先进压水堆及高温气冷堆重大专项“AP1000核电燃料组件格架条带制造技术研究”课题顺利通过验收。专家组评价,生产的条带及格架均能满足技术指标要求,并形成了原材料制造厂、燃料组件制造厂和设计院的全产业国产化链条。

  “下一步,就是格架条带入堆考验,考验合格后,就具备批量生产的条件了。”中核北方科研部主任王虹有些激动地告诉记者,通过堆内考验后,后续的AP1000核燃料组件就可以使用中核北方自己制造的格架条带了。而此前,只能向AP1000的“老东家”美国西屋企业购买。

  格架由条带组成,是燃料组件的关键部件,主要起到固定和精确分隔燃料元件棒的作用。在我国引进AP1000核燃料组件制造技术时,西屋企业以“第三方技术”为由,拒绝转让条带制造技术,并且不允许大家与条带制造厂有任何技术交流。

  “一旦西屋企业不给大家供货,大家的AP1000燃料组件就会‘断炊’,使用该组件的三门核电、海阳核电将来运行起来就会受到影响,所以不能被人‘牵着鼻子走’。”中核北方名誉总经理、中国工程院院士李冠兴,以及曾任中核北方总经理的集团企业军工部主任马文军等人从一开始就无比坚定:AP1000核燃料格架条带一定要实现自主生产。

  AP1000核燃料组件生产线总经理龚树河回忆,最初,该技术并未被国家考虑列入大型先进压水堆及高温气冷堆重大专项中。为此,李冠兴、马文军等人努力奔走,包头、北京来来回回不知道飞了多少趟,国家能源局、国家财政部、引进AP1000技术的国家核电技术企业,凡是与项目立项有关的单位他们全都跑遍。历经周折,该项目最终于2013年得以正式立项。

  中核北方深知自主创新既不能仰人鼻息,也不能闭门造车,惟有强强联合、优势互补,才能尽快出成果。“大家联合上海核工程研究设计院、湖南大学、国核锆业股份企业等单位,组建起一支集条带设计、带材制备、冲制理论研究、冲制工艺试验、冲制模具设计加工、分析测试等为一体的研发团队。”自此,中核北方“兵强马壮”,正式踏上攻关之路。

  一切从零开始,国产化研制困难重重。“没有什么捷径可走,大家就是‘遇到问题,解决问题’。”AP1000核燃料生产线组装车间格架组组长侯雪道出了成功的“秘笈”。

  格架组负责将条带插接和焊接,组装成成品格架。经过使用进口条带反复练习,格架组人员将插接一个格架的时间,从最初的2个小时成功地缩短到40分钟。但是当他们用自己生产的条带进行拼插时,即使最熟练的技术人员也达不到这个速度。“将两条条带的插槽插到一起时很涩。”侯雪告诉记者,后来发现是条带有毛刺,为此,他们大胆进行了工艺改进。

  弹簧刚度不够,无法夹持燃料棒;本应是长方形的条带却“开花”变成了扇形;一再出现焊舌漏焊的情况;搅浑翼折弯变大……在项目总牵头人王翰骏的带领下,项目人员攻克了外人难以想象的无数技术瓶颈。

  而在此过程中,对于中核北方而言,不只是达到西屋企业的技术指标这么简单,他们更想实现的是超越。按照西屋企业的技术要求,为保证格架的栅元指标合格,不影响格架在燃料组件上的位置,可以手工调整钢凸弹簧的高度。但是如果需要调整的钢凸弹簧较多时,花费的时间也会比较长。“大家想把钢凸弹簧的精度控制得更好一些,因此对它设定了比西屋企业365bet备用网址的指标。” 田骏说道。

  “大家做出来的格架,被来厂交流的西屋企业技术人员误认为是从他们那儿进口的。当确认是中核北方自己的成果后,他们又表示想和大家合作一起生产。”侯雪的语气里充满自豪。

  其实,AP1000格架条带技术只是中核北方实现引进技术国产化方面的一个缩影。作为我国核工业第一批厂矿之一的企业,从2000年开始涉足民用核燃料领域至今,通过引进、消化吸取、本土化改造,再到自主创新,中核北方已相继建成了重水堆燃料元件生产线、具有自主常识产权的世界首条具有四代核电特征的高温气冷堆燃料元件生产线、AP1000燃料元件生产线,成功生产出CAP1400自主化燃料定型组件……其中每一项成果都经历了与AP1000格架条带同样曲折的历程。仅十几年时间,中核北方就实现了核燃料元件生产从引进到超越的蜕变。

  新型核燃料、核材料研制:占据领军位置

  如果说实现引进技术的国产化是为了不被别人“扼住脖子”,那么,在智能制造技术、新型核材料研究、新型燃料元件研制等方面的种种创新努力,则寄托了中核北方更远大的志向——进军核燃料、核材料研制领域的国际领军地位。

  “中核北方是我国最早,也是当前国内走在最前列、技术路线最全的核燃料科研生产基地,大家不只满足于这样的定位,大家更想实现的是‘建设面向全球、国际一流的核材料、核燃料元件生产科研基地’。”冯海宁告诉记者,在此方面,中核北方正快马加鞭地前进,并取得了一些瞩目的成绩。

  走进偌大的重水堆核燃料元件生产车间,记者所遇的工作人员寥寥可数,车床中间的通道上,只见一个个黄色的自动导航车一刻不停地穿梭忙碌搬运燃料。当记者挡住这些“小黄人”的去路时,其自身固有的避障探测系统会第一时间发现,使得它们在劳动之余,还懂得礼貌让路。不只如此,它们还具备自动充电功能,“累了”就会回到充电器旁乖乖给自己加满能量。

  据重水堆核燃料元件厂厂长吕会先容,重水堆核燃料元件化工生产线包括上料、转运、加工、下料等多个步骤,原来大部分由人工操作,现在这些任务都由各类机器人承担了。AGV小车这样的搬运机器人只是车间里众多机器人的一种。

  “重水堆核燃料元件的生产实现自动化后,不仅精简了工作人员数量,还优化了人员结构。现在的一线工作人员,已由原来的手工劳动者,变成了生产过程的监督者。”吕会说,“目前全厂储备了自动化、机电一体化、设计、App编程等专业的技术人员30余名。”

  记者在车间的控制室看到,自动化的操纵监控系统,将生产环节的各个角落都集成在电子屏幕上,工作人员坐在电脑台前,就可以监测到车间的实时生产情况,第一时间通过电脑操作控制生产流程。

  “按照国际标准,核燃料元件产品质量指标是堆内破损率低于万分之三。目前大家压水堆和重水堆燃料元件的堆内破损率远远优于国际标准。”吕会说道。

  “除此之外,3D打印和智能制造技术也正在被中核北方开发应用于核材料领域。”冯海宁说道。

  “3D打印在深刻改变着制造业的格局,例如,防异物板一类零件采用常规加工方式时,最快也需要2~3小时的加工时间,但是按目前5kg/h的3D打印效率计算,该零件理论加工用时仅需10分钟左右。” 王虹说明道。

  中核北方敏锐地察觉到这一趋势,本着“智能制造”理念,于2015年引进了一台3D打印设备。从打印简单的零部件起步,如今,中核北方实现了核燃料元件制造与3D打印的“联婚”,打印的CAP1400管座完全满足设计要求。

  “3D打印技术在核行业大有可为,目前大家正在改造3D打印实验室,计划研究核材料专用的一些金属材料,比如金属铀、锆合金等的打印工艺,如果成功,有望成为核行业首家突破该技术的企业。”冯海宁对3D打印未来在核领域的应用充满信心。

  王虹告诉记者,提高核燃料安全性一个很重要的途径就是改变核燃料结构,例如环形燃料组件研制。该组件是用于压水堆的新型燃料组件,基于环形芯块和内外双包壳的设计,有着比以往的燃料组件更大的安全性。

  近日,122根零功率环形燃料试验组件从中核北方运往北京,在原子能院进行相关试验。“我国环形燃料组件研发的进度,已反超最先提出这一概念的美国和韩国。”王虹自豪地说道,“而针对可应用在铅基快堆、钍基熔岩堆等四代新堆型的核燃料元件,大家也在加紧立项研制,为堆型发展做好技术储备。在陶瓷燃料等新型燃料研发方面,大家也已于2017年展开实质性研究。这些在国内外相关领域都是超前的。”

  青年团队:创新之主力

  采访中,记者有一个颇为真切的感受是,青年员工正在成为中核北方技术创新的先锋和主力,技术创新带来的挑战让他们不断释放自己的能量,而在奔向成功之路上他们的成长也显而易见。诚如冯海宁所言:“年轻人思维活跃,尤其是刚毕业的大学生不会被以往经验的固有思维限制,只要大胆给他们压担子,他们不惧怕创新,什么都敢尝试。事实也证明他们很快就能出成果。”中核北方冶金研究所的青年研究人员正是其中的佼佼者。

  当听到零功率环形燃料组件已运往原子能院这一消息后,之前在环形燃料芯块制备生产线上接连忙碌了4个月的李宗书、乔伟、隋正三个人,才算彻底地舒了口气,松下了一直紧绷的神经。

  这三个人都是中核北方冶金研究所粉末组的技术研究人员。当记者见到他们时,不由地惊讶于他们的年轻。三个人都是刚毕业一两年的大学生,一来到中核北方就参与到环形燃料组件研制项目中,负责芯块制备的全过程。

  “研制环形燃料组件核心就是芯块制备,这是一个特别繁琐、细碎的过程,每一步都离不开人,极为考验一个人的责任心和耐心、细心的程度。”李宗书向记者先容。比如,使用的核物料,在生产中要保证1克不能丢也不能少,每天都要进行出库和入库的核对;比如,生产过程中为保证设备正常运行,要注意观察润滑剂的黏稠度、模具有没有划伤、垫环有没有变化等很多细节;比如,芯块烧结时,每一批次都要做详细的记录、追踪,以便出现问题时可以快速寻找责任人和原因。

  虽然一天来来回回跑下来常累得小腿肚子直打颤,可是,乔伟坦言:“还是愿意在项目上干。因为参与项目的这一年时间里,我学会了多与大家沟通、交流,发挥团队的力量一同解决问题,认识到生产现场无小事,同时,经历了一个项目后,自己的技术水平也快速成长起来。”

  中核北方的冶金研究所目前承担着多个新型燃料元件的研制任务。对于燃料元件设计方提出的设计思路,冶研所需要在尽可能短的时间内完成工艺开发,研制出样件,来验证设计的可行性。像管座这样的燃料组件的重要零部件,自拿到设计图纸算起,从工装模具的设计制作,到专用刀具的准备,再到制造工艺的开发,至少需要几个月的时间才能制造出来。现在,仅需等上两到三天,该所的技术人员就可以获得一个全新设计的核燃料组件管座,这一切都要归功于郝若彤任负责人的3D打印工艺开发课题组。

  郝若彤与李宗书他们有着极为相似的成长路径:同样是刚毕业两年,同样一来中核北方就承担起重要科研项目。以往研发中的辛苦在郝若彤的心中早已褪色,唯有一个片段的记忆依然深刻。

  2017年夏日的一天,确定3D打印CAP1400管座最后一项工艺参数时,为避免出现激光卡刀现象,郝若彤和项目组另一名人员一直守在打印机旁边,从早晨8点一直盯到第二天凌晨4点,吃饭都没敢离开。当获取到数据的那一刻,郝若彤特别激动:“这项参数一经确定,意味着CAP1400管座的全部3D打印工艺就打通了。项目取得成果的同时我也获得了极大的成就感,这是任何别的事情都不能给予我的。”

  王兆松是中核北方冶金研究所科研管理科副科长,这几年他经手的科研项目非常多,接触到的优秀科研人员也很多。但每每提及精密管座铸造研发团队的年轻人,对于他们的快速学习能力,他的赞赏之情溢于言表:“为了掌握精密管座铸造技术,2015年夏季,这几个年轻人到东莞的一家工厂学习,为了不耽误工厂生产任务,每天只能晚上才能进厂学习。但他们仅用了3个月时间就掌握了压膜制备、模壳设计制造等所有精密铸造技术。”回来后,他们用学到的技术,很快于2016年为中核北方建立起一条自动化精密铸造生产线,并于2017年下半年制造出第一批合格的AP1000精密铸造管座。

  “AP1000精密管座铸造技术和格架条带技术一样,当初西屋企业同样以‘第三方技术’为由拒绝转让,而大家的年轻团队攻克了这个技术难关。” 王虹深深为中核北方年轻的创新团队感到骄傲。

  除了自身的努力付出,青年团队取得的成果也得益于中核北方营造的人才培养的良好氛围。冯海宁表示:“中核北方几代领导者都极为重视青年人才培养,通过各种激励手段,不断凝聚人才、培养人才、激活人才。因为只有这样,大家的创新事业才能生生不息。”(申文聪)

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