“煉丹修道瀝肝膽，應(yīng)時(shí)而出驚世聞。”這是中國(guó)首次核試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)總指揮張愛(ài)萍將軍作于1964年我國(guó)首次原子彈全尺寸爆轟模擬試驗(yàn)成功之際的詩(shī)句，也是清華大學(xué)核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人唐亞平對(duì)團(tuán)隊(duì)近半個(gè)世紀(jì)艱難攻關(guān)歷程的形象比喻。
最近，將近150萬(wàn)個(gè)“燃料球”在中核北方核燃料元件有限公司生產(chǎn)完畢，將在全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站——華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站陸續(xù)投入使用。這些網(wǎng)球大小、通體黢黑的“燃料球”，是能量巨大的球形核燃料元件，也是保證高溫氣冷堆“固有安全性”的核心技術(shù)之一。
球形核燃料元件制造技術(shù)是“買(mǎi)不來(lái)、要不來(lái)、討不來(lái)”的世界領(lǐng)先的清華技術(shù)。從“跟跑”到“領(lǐng)跑”，從學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家思路到自主實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，再到工業(yè)示范、全面實(shí)現(xiàn)工程化，實(shí)現(xiàn)向先進(jìn)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，清華大學(xué)核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)拓進(jìn)取、百折不撓，在堪比“煉丹”的艱辛過(guò)程中“充分體現(xiàn)了一種精神，可以叫做‘球形燃料元件精神’：自主創(chuàng)新、敢為人先、產(chǎn)研融合、精益求精?！碧苼喥娇偨Y(jié)道。
堅(jiān)不可摧的“燃料球”：高溫氣冷堆的安全密碼
在山東榮成，采用清華技術(shù)的球床模塊式高溫氣冷堆核電站——華能山東石島灣高溫氣冷堆示范電站，至今已經(jīng)安全運(yùn)行一年多的時(shí)間。
作為全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站，它被稱(chēng)為“不會(huì)熔毀的核反應(yīng)堆”，全因其具備的“固有安全性”：即使遇到最極端的情況，一切操作系統(tǒng)都失靈，不依靠任何人為干預(yù)，它仍然可以保持安全狀態(tài)，避免放射性物質(zhì)泄漏到外界。保障其“固有安全性”的第一道防線(xiàn)，就是由核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制造的球形核燃料元件，也就是業(yè)內(nèi)俗稱(chēng)的“燃料球”。
高溫堆安全性第一道屏障——燃料球作用示意圖。
唐亞平用三句話(huà)總結(jié)球形燃料元件的特點(diǎn)：一是“球小能量大”。一個(gè)直徑僅6厘米、重200克的燃料球，里邊裝了7克鈾的核燃料，可以釋放的能量卻相當(dāng)于燃燒標(biāo)煤超過(guò)1.6噸的能量。二是“換料不停堆”。在燃料球的連續(xù)流動(dòng)中，反應(yīng)堆就完成了核燃料換料，既改善反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性，又有利于反應(yīng)性控制、增強(qiáng)反應(yīng)堆安全性。第三點(diǎn)特別重要——“耐高溫、強(qiáng)包容”。核裂變釋放的能量散發(fā)出來(lái)被轉(zhuǎn)化利用，產(chǎn)生的放射性廢物卻被完全包容在燃料元件里，為高溫氣冷堆實(shí)現(xiàn)固有安全奠定了最關(guān)鍵的基礎(chǔ)。
二十余年磨一劍：實(shí)驗(yàn)室里的自主創(chuàng)新之路
“要想建造高溫氣冷堆，就必須得造出燃料球！”唐亞平說(shuō)。燃料球看似簡(jiǎn)單，但要真正造出來(lái)、用得上，卻耗費(fèi)了核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)幾代人的心血。
早在上世紀(jì)七十年代，核研院就開(kāi)始了球形核燃料元件的基礎(chǔ)研究。彼時(shí)，我國(guó)在高溫氣冷堆核燃料領(lǐng)域的研究落后于德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)查資料、做實(shí)驗(yàn)、編教材、培養(yǎng)人……從零開(kāi)始，艱難推進(jìn)。團(tuán)隊(duì)深知，只能靠自己、要自主創(chuàng)新。
以燃料球制造第一道主工藝——二氧化鈾核芯制造為例，溶膠凝膠工藝制備核芯顆粒涉及溶解、配膠、分散、熱處理等十幾步工序，既要實(shí)現(xiàn)膠液的穩(wěn)定，又要解決從連續(xù)膠體到分散顆粒的快速成型技術(shù)，還要保證大量的核芯顆粒無(wú)破損、一般大、一樣圓。技術(shù)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)千百次實(shí)驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整方案，終于構(gòu)建了溶膠凝膠工藝技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了二氧化鈾核芯顆粒的各項(xiàng)性能合格、一致、穩(wěn)定。
燃料球制造第二道主工藝包覆顆粒的研發(fā)也困難重重。TRISO型包覆顆粒四層完整、完美的包覆層是在反應(yīng)堆內(nèi)高溫、高壓、高輻照條件下阻擋裂變產(chǎn)物釋放的關(guān)鍵屏障。技術(shù)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)嚴(yán)密設(shè)計(jì)、精密測(cè)控、耐心求證，終于讓每一爐數(shù)百萬(wàn)個(gè)顆粒都穿上了這四層微米級(jí)的“衣服”，實(shí)現(xiàn)了破損率低于萬(wàn)分之三的目標(biāo)，突破了球形燃料元件制造的一大難關(guān)。
清華大學(xué)先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室討論研究方案。
二十世紀(jì)八十年代“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱(chēng)“863計(jì)劃”）實(shí)施，在“863計(jì)劃”能源領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，核研院的技術(shù)團(tuán)隊(duì)迎來(lái)了快速進(jìn)步與技術(shù)突破豐收期：在實(shí)驗(yàn)室打通了燃料球制造的完整技術(shù)路線(xiàn)，研發(fā)建成了一條小規(guī)模實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線(xiàn)，并成功完成了“10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆”核燃料元件制造供應(yīng)任務(wù)?！?0兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆”項(xiàng)目獲評(píng)國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，高溫氣冷堆在2006年被列為16個(gè)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)之一。
把論文寫(xiě)在祖國(guó)大地上：實(shí)現(xiàn)“燃料球”規(guī)模化生產(chǎn)
隨著“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)的實(shí)施，球形核燃料元件的研發(fā)又迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)：要建設(shè)球形核燃料元件示范生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；圃臁⑿纬晌覈?guó)核工業(yè)的新能力。
規(guī)模化制造要求大幅度放大產(chǎn)能，每天要制造巨量的二氧化鈾核芯顆粒、包覆顆粒，又要求每一個(gè)顆粒、每一層包裹都高度一致、完美無(wú)瑕，要求幾近苛刻?！案咝＠蠋煻加凶隹蒲械幕A(chǔ)，但是真正需要工程化落地的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)是巨大的。”核研院新材料研究室主任劉兵說(shuō)。先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)迎難而上，走出實(shí)驗(yàn)室、接受工程化的風(fēng)雨洗禮。2013年3月16日，球形核燃料元件示范生產(chǎn)線(xiàn)在內(nèi)蒙古包頭市的中核北方核燃料元件有限公司開(kāi)工建設(shè)。
在技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也勇敢開(kāi)拓高科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化新機(jī)制：與核工業(yè)、制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)界多家優(yōu)勢(shì)單位分工協(xié)作、聯(lián)合攻關(guān)；與工程技術(shù)一線(xiàn)同志并肩作戰(zhàn)，扎扎實(shí)實(shí)解決工程化過(guò)程中的一系列問(wèn)題。為了一種關(guān)鍵材料——天然石墨粉的供應(yīng)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)全國(guó)范圍找礦源、石墨廠(chǎng)家，深入石墨廠(chǎng)家共同實(shí)驗(yàn)、分析，與生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)方爭(zhēng)論、講解……還要為了解決混捏、研磨、均混等問(wèn)題反復(fù)研討、實(shí)驗(yàn)。
制造過(guò)程中的性能檢測(cè)也是一大難題。工藝技術(shù)的研發(fā)、改進(jìn)離不開(kāi)性能檢測(cè)的支持。燃料元件理化性能分析組二十余年不斷研發(fā)分析方法，研制專(zhuān)用分析儀器，不斷提高分析精度、效率和自動(dòng)化程度，針對(duì)巨量樣品設(shè)計(jì)可靠的取樣技術(shù)、取樣方案，為燃料元件制備技術(shù)研發(fā)和示范生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)成功提供了及時(shí)、有力的支持。
清華團(tuán)隊(duì)還虛心向工程科技人員學(xué)習(xí)，運(yùn)用企業(yè)先進(jìn)的質(zhì)量保證文化和技術(shù)，建立起全新的質(zhì)量保證體系，大幅度提高制造的可靠性、可追溯性，保證了燃料球制造真正形成了工程化生產(chǎn)能力。
球形核燃料元件制造裝備發(fā)展階段。
終于，歷經(jīng)十多年的協(xié)同合作，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了幾十項(xiàng)性能指標(biāo)全部合格的目標(biāo)，建成了世界首條工業(yè)規(guī)模的球形核燃料元件生產(chǎn)線(xiàn)，及時(shí)為高溫氣冷堆示范電站送上了合格的核燃料。
打造新質(zhì)生產(chǎn)力：為綠水青山貢獻(xiàn)清華硬核力量
高溫氣冷堆提供的高溫工藝熱具有多用途綜合應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為石化、冶金、交通、數(shù)據(jù)等行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型，為我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施、核電“走出去”、綠色可持續(xù)發(fā)展和人民生命健康貢獻(xiàn)完全自主可控的新質(zhì)生產(chǎn)力。
2023年5月16日，球形核燃料元件商業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)在中核北方開(kāi)工建設(shè)，目前已進(jìn)入全面調(diào)試階段。核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)發(fā)揮技術(shù)指導(dǎo)、技術(shù)支持的關(guān)鍵作用，一條全球技術(shù)水平最高、規(guī)模最大的球形燃料元件生產(chǎn)線(xiàn)將出現(xiàn)在中國(guó)，未來(lái)將為高溫氣冷堆商業(yè)推廣和新興產(chǎn)業(yè)鏈提供源源不斷的“糧食”。
清華大學(xué)先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)。
展望未來(lái)，核研院先進(jìn)核燃料技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)擁有球形核燃料元件完整知識(shí)、技術(shù)體系，豐富的工程化經(jīng)驗(yàn)，更擁有產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展的體制機(jī)制，又匯聚了一批新生代的科研人員、青年教師?！扒拜厒兺瓿闪藦摹?’到‘1’的原理突破和壯舉，我們還要不斷完成從‘1’到‘10’、到‘100’的技術(shù)優(yōu)化和工程技術(shù)創(chuàng)新?！毙虏牧涎芯渴尹h支部書(shū)記、副主任劉馬林說(shuō)。
