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日志

 
 

迟滞的中国锆产业新跃升  

2014-05-13 09:35:41|  分类: 核能技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    核燃料元件是核电站的能量“源泉”,是核反应堆的核心部件,它直接关系到核反应堆的可靠性、安全性和经济性。而锆合金,因其优良的中子物理、机械和水化学性能,成为当今核电站高性能核燃料元件包壳的首选材料。
  用于制造核燃料组件的锆合金材料,称之为核级锆材。核级锆材技术,包括从核级海绵锆开始直至核燃料组件用的管、棒、带材的制造技术。
  随着我国核电的发展,建立完整的核级锆产业链,研制自主知识产权的核级锆合金产品,实现核级锆材的自主加工和制造,解决核燃料组件所需的核级锆的国产化和自主化供应问题,已经显得尤为迫切。

  举足轻重的核级锆产业

  产业之喉
  核燃料循环包括铀的采矿、纯化、转化、浓缩、燃料元件制造、元件在反应堆中的运行使用、核燃料后处理、废物处理和处置等。随着2012年底我国后处理中试厂中试成功和2013年6月我国宣布铀浓缩技术完全实现自主化,目前核燃料循环链中只剩下燃料元件制造业中的核级锆材目前尚且没有完全实现自主化。
  迄今为止,我国尚未研制出属于自己的实用高性能锆合金燃料组件,还必须依赖国外进口。国内的M310机组从法国买进M5合金,AP1000机组从美国买进锆铌合金。没有自主知识产权,就意味着外国商家可以随意抬价,更意味着如果人家选择不卖给你锆合金,也就扼住了中国核能发展的喉咙。
  千吨之需
  我国核电技术路线主体是发展压水堆,但无论是压水堆还是重水堆,其燃料组件都要用锆合金将铀包覆在包壳内制成燃料棒,进而组装成燃料组件装入反应堆中使用。据了解,我国现行的压水堆燃料组件燃料棒的包壳管、端塞、燃料组件的导向管、定位格架等均使用锆合金材料。而重水堆燃料组件的端板、支撑块、隔离块、包壳管、端塞以及重水堆的压力管都是由锆合金材料制造的。
  核级锆材除了要满足反应堆内的高温、高压、耐腐蚀、抗辐照等要求外,还必须具备吸氢小和中子吸收截面小等特性。因为反应堆是靠吸收中子来进行裂变反应的,如果核燃料的包壳材料吸收了大量中子,就会影响堆芯反应。
  据资料显示,一个百万千瓦级压水堆核电站首次装料的核燃料所需锆材约为32吨,高燃耗反应堆每次换料大约需要8吨核级锆材,根据国家最新的核电中长期规划,至2020年我国核电运行装机容量将达到4000万千瓦以上,核级锆材的年需求量将达到1000吨以上。

  中国锆产业发展沿革

  中国的锆合金产业一直是游离在核工业系统之外的。从发展核工业开始,中国就是全国大协作。上世纪60年代,为满足当时需求,冶金部的相关单位联合攻关生产了少量核级海绵锆,并生产了锆合金材料。由于当时核级锆材应用范围窄,消耗少,之后很长时间缺乏需求牵引,致使该生产技术在我国一直没有得到有效发展,以至于现在高燃耗的核级锆材料的工业化生产还处于空白;锆合金熔炼、包壳管的轧制尚没有系统完整的产业体系。
  上世纪,中国能生产锆材的除了上海有色金属研究所(现为上海高泰稀贵金属公司,已经被中核集团控股),还有陕西宝鸡有色金属研究所,后来分成了两家单位,一个是宝钛集团(股权归现在的国核技),还有一个是西北有色金属研究院(其主力研发单位——西部新锆已经与中核集团共同出资建立新的锆材研发公司)。
  上世纪90年代,秦山30万千瓦核电站运营的时候,上海有色和宝鸡有色承担着锆合金包壳管的生产任务。而这两个单位当时都归冶金部管。中国的核电产业一直没有把锆材生产列入核燃料产业链条中。
  目前国内只有西北锆管有限公司和上海锆泰稀贵金属有限公司生产少量的锆-4合金管材。
  过去我国锆合金的研发缺乏系统、有效的组织,核燃料产业一直没对其产生领导或指导的作用,尽管一些研究单位和高校也开展了相关研制工作,但终因力量分散、缺乏有效的组织和市场牵引而进展迟缓。
  随着中国核电产业的大发展和市场经济的进程,锆包壳管的生产对核电整个产业的发展变得越来越重要。现在中国多数在运核电站用的M5核燃料包壳管越来越多,就势必要大批量从国外买进,中国锆合金的本土化研制和生产也因此逐渐提上日程并显得日益重要。
  为此,中国核能企业势必要将核级锆产业纳入自己的产业体系。一是因为冶金企业在新包壳材料的研制方面力量不足。相关专家介绍说,我国当时在引进M5管材技术时,还是冶金系统的企业来做这项工作。当时合同也签订了,人也派出去培训了,专家也来指导了,设备也买了一些,但最终没做出M5成品来,也就没有成功实现自己生产。其中一个原因,就是因为冶金系统生产的产品要入堆考验,要与核燃料企业对接起来才可能研制出合格产品。而两者不在一个体系下,妨碍了研制开发工作。
  我国田湾核电站的1、2号机组在引进俄罗斯的核电技术的同时还引进了两种技术:一个是引进E110锆合金技术,一个是中核建中核燃料元件有限公司引进VVER燃料组件技术。田湾核电站建成了,中核建中的VVER组件也做出来了。但我们自己制造的E110锆合金却没有成功。当时是中国的冶金系统承担这个任务,做出来的产品通过了一部分鉴定,但完整的技术不过关,最后只能整体买进俄罗斯的锆合金管材。
  二是冶金企业对核安全理念的理解与核电企业有差距,如果没有核安全文化的熏陶,让冶金企业直接生产核级锆包壳材料,质量保证无法做到无缝对接。

  世界锆产业现状

  从国外情况来看,世界各国大都把锆业纳入自己的核能产业链条。比如美国西屋和法国阿海珐。阿海珐的锆业一开始不是自己拥有,而是参股。上世纪90年代中期,阿海珐开始控股锆业公司。承担核电锆管生产任务的这些锆企业也都属于有色行业。法国和美国都是走了这么一条路。
  一直到现在,国外还有一些锆的生产企业仍然属于冶金公司,没有和大的核燃料公司的产权结合在一起。比如瑞典的山特维克、美国华昌,但是他们都有生产核锆包壳管的生产线。这两家没有归入核燃料产业的国外锆材生产企业生产的都是锆-4产品(锆-4产品没有知识产权,生产标准是全球公开的),没有自己独有的知识产权的锆合金产品。
  目前,世界上主要的核燃料供应商如美国西屋、法国阿海珐和俄罗斯国家核燃料公司(TEVL)都建立了完整的核级锆技术创新与产业体系,对其核燃料产业乃至核电产业的发展起到了重要作用。
  西屋公司有完整的锆产能,对新锆合金的研究也有长期计划。在成功开发锆-2和锆-4合金的基础上,又成功开发了Zirlo合金。目前优化的Zirlo合金已部分替代了原来的Zirlo合金。其换代锆合金产品X5A的研究开发已进行了多年。
  随着自主品牌M5合金开发应用成功,法国阿海珐公司推出了以M5合金为包壳管的AFA-3G和全M5 AFA-3G的燃料组件。法国阿海珐公司锆合金制造实现了产业规模化,通过不断整合,成为国际上实力很强的锆业公司。目前正在开展超低SnFe锆铌合金的开发研究。
  TEVL最早成功开发了锆铌合金,早期在锆合金开发上能力领先世界:早在上世纪60~70年代就成功开发了E110、E635合金。TEVL组建后,俄罗斯重启了新锆合金的研发工作,并开发了一系列高性能燃料元件。据最新报道,TEVL公司在成功开发TVS-2M系列高性能燃料组件的基础上,又成功开发了“2006型”高性能燃料组件,采用更新的锆合金品牌,其改进点和性能不详。TEVL公司锆管产能在切别兹基机械厂,既生产核级海绵锆、核级锆合金锆材,也生产民用锆、钛材、锂材。核级锆主要供应俄罗斯电钢城和新西伯利亚两个燃料厂,产能约500吨/年。
  国际一流的核燃料公司均建立了完整的锆产业和研发体系。强有力的自主品牌、先进锆合金研究开发能力,以及锆材供应保障能力,大幅度提升了这些公司在竞争激烈的核燃料市场中的核心竞争力。各公司的技术差别主要是海绵锆生产中的锆铪分离工艺不同和锆合金品牌导致的冶金和压力加工工艺差异。关键的核心技术还是锆铪分离。锆和铪是结伴而生的,核级锆中的铪需要去除到几乎没有的程度。因为铪吸收中子,而反应堆是靠吸收中子来进行裂变反应的。所以核级锆的一个主要指标就是铪的含量一定要非常非常低。
  Zirlo、M5、E110等合金都是目前国际上可用于三代核电燃料元件的先进锆合金,其耐腐蚀、抗辐照、吸氢性能等都优于锆-4合金。目前,西屋、阿海珐以及中、日、韩等都在进一步开发新合金。

  三家大图

  我国没有先进锆合金的自主品牌,现有的能力只能生产锆-4合金。目前国内只有中核集团正在研发自主知识产权的N18和N36已经取得部分实质性进展。
  现在我国核企业关于核级锆材的战略是要两条腿走路。国际上是与法国、美国、俄罗斯等合作,解决锆材的供货问题和本土化生产问题;国内是自己研制自主品牌。
  核级锆产业链中的三个关键技术环节是核级海绵锆生产技术、锆合金熔炼技术、锆材加工技术。中核集团以中核阿海珐(上海)锆合金管材有限公司(CAST)为中心, 向锆材产业链的上下游拓展,力图打造完整的锆产业链。中核集团核燃料产业链缺失环节正在被一块一块地充实完善:海绵锆的生产技术有东方锆业来满足;从海绵锆到合金的熔炼技术,有西部新锆公司;从锆合金到各种棒材、管材、格架条带的加工,有CAST和中核(汕头)精密制造有限公司。客观地讲,中核集团在锆合金产业链中已具备大部分相应能力,但在锆合金熔炼、锆胚、带材轧制方面还有欠缺。这一块的空白,中核的战略是要通过扩展CAST的生产范围来弥补。
  另外,从研发角度来说,中核正在研制自己的N36产品。N36由中国核动力设计研究院牵头研制,正在反应堆里接受考验。N36主要是核动力院西部新锆在做工作,核动力院负责主要研制工作,西部新锆负责从实验室到工业化应用。如果需要规模化生产,可由上海CAST公司做保障。
  中国广核集团也在做一个项目——中国自主知识产权高性能锆合金研制(第一阶段)项目,目标是研制新型锆合金CZ1和CZ2,但目前没有属于自己的生产基地。
  国核技有自己独立的生产线,但只能生产Zirlo合金和锆-4合金,生产不了M5。Zirlo合金主要为AP1000堆芯使用,目前来看只能在AP1000中使用,暂时还不能跟其他堆替换使用。
  到2023年以前,国内的锆合金包壳都会以Zirlo合金和M5为主。现在国内有两个市场比较明显,一个是二代改进型M310市场,主要用M5;一个是三代AP1000的市场,用Zirlo合金。
  所谓的二代就是M310系列的,中核、中广核现在大部分的反应堆都是这个系列的,所以用的包壳都是M5。但同时,无论是M5还是Zirlo合金,都可以用别的产品来替换。但目前业内没有人启动这项替换工作。专家预测,乐观地说启动替换到实现完全替换得5年以上时间,甚至10年时间,需要一个漫长的过程。
  业内专家表示,包壳材料替换的问题,很多人都会想到,但没到决策的层面。因为现在法国的组件在美国的堆里有,美国的组件在法国的堆里也有,所以从技术上讲,这两种组件替换是没有问题的。但需要做长期的技术预研和堆内考验工作。(杨金凤)

  相关链接

  高燃耗锆合金
  高燃耗锆合金最早的核包壳材料是不锈钢,有的还用过铝的包壳,但都不太好,后来经过一段时间的发展,压水堆里主要用的是锆-4产品(以锆为主,还含有其他化学成分的材料)。但它的高燃耗性能较差。所谓高燃耗,通俗来说就是这个组件在反应堆里耐热性能更好、热量散发更多,在堆芯中呆的时间更长。原来核电反应堆都是12个月换料周期,现在18个月换料,是高燃耗的一种表征。
  海绵锆
  海绵锆相当于铁,锆合金就相当于钢。炼钢的过程是要把铁矿石变成铁,再把铁炼成钢。具备核级海绵锆生产能力的公司,所做的工作就是从“铁矿石”里提炼“铁”,然后再提供给熔炼企业来炼“钢”。
  核级锆材技术
  核级锆材技术主要包括制造技术和专利品牌。核级锆材是以分离了铪的纯锆为基体,添加铌、锡、铁等元素组成的专门为反应堆使用的特殊锆合金。由于需要分离锆中的铪,对合金及所制成的各种型材的性能和可靠性有严格的要求,使核级锆技术成为了专门的系统技术。核级锆材技术包括锆铪分离技术、海绵锆制造、合金制造及其各种管、棒、板、带的制造技术,以及合金品牌专利权。
  核级锆产业
  完整的核级锆产业体系包括核级海绵锆制造、锆合金熔炼、坯料制造、返料回收、锆合金管材(包壳管、导向管、仪表管等)和板材、带材制造以及技术研发。目前国际上只有美国、法国、俄罗斯等少数几个国家具有完整的核级锆材产业体系。

来源:中国核工业杂志  2014年第4期
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