挺起中国核事业的“脊梁”——专访李冠兴院士

本刊记者 李照煦 卫广刚

挺起中国核事业的“脊梁”——专访李冠兴院士

本刊记者 李照煦 卫广刚

李冠兴，1940年1月14日生于上海，中国工程院院士，中国核学会理事长，中国核能行业协会副理事长，我国著名的核材料与工艺技术专家，中共十六大代表，第十届全国政协委员。他主要从事核燃料与工艺技术、粉末冶金、金属材料、高级陶瓷与金属基复合材料研究，在我国金属型核燃料元件、研究堆核燃料元件、靶件和贫铀材料等领域作出了重要贡献。他先后发表过数十篇研究论文，有几十项科研成果获国家和省、部级科技进步奖和成果奖，1992年起享受国务院特殊津贴。

核燃料元件核事业的“脊梁”

《中国核电》：中国工程院院士周永茂在描述核燃料元件制造业在核产业链中的重要作用时说， 核燃料元件是核事业的“脊梁”。您如何理解核燃料元件在核电站中的作用？

李冠兴：核反应堆是通过受控的链式裂变反应，将核能缓慢地释放出来的装置，而这个裂变反应就是发生在包含有可裂变材料的核燃料元件之中的。因此，核燃料元件是核反应堆中的核心部件和最主要的组成部分，是反应堆能量的来源。我们可以把核燃料元件比作核电站里面的“煤球”，核电站就是通过“燃烧”这种“煤球”产生能量，进而发电的。过去教科书上也把核燃料元件叫做释热元件，就是这个道理。裂变能是相当大的，大约是化学反应涉及能量的百万倍。因此1 g铀或钚裂变产生的能量比1 t油燃烧产生的能量还要多。所以核电有一个优点，它烧的核燃料很少，很少质量的核燃料就会转化成很大的能量。比如说功率为百万千瓦级的核电机组，一年24 t核燃料就可以了；而一座百万千瓦级的火电站每天要烧10 000 t煤，要10节火车皮运煤，而一节火车皮的核燃料可以用33年。

在压水堆中使用的核燃料元件，我们把它叫做燃料组件。它是由锆合金管内装上二氧化铀陶瓷芯块组成的燃料棒构成的。这些燃料棒排列在一个正方形的格架中，格架结构的设计主要是提供对燃料棒的机械支撑。以AFA3G的燃料组件为例，一个燃料组件的总质量为670 kg，约213 mm见方，总长约4 m。有264根燃料棒插在其中，组件的装铀量为461 kg。一座百万千瓦级的核电站堆芯一般有157个燃料组件。

核燃料元件在核反应堆中有非常重要的作用，它除了提供反应堆发电所需能量之外，也是核反应堆安全的第一道屏障。这个屏障由两部分构成：一是核燃料元件中的芯体材料，即一块块叠起来的二氧化铀陶瓷芯块（直径约为8 mm，高度约为13 mm），核裂变产生的放射性物质98%以上滞留于燃料芯块中，不会释放出来。二是将燃料芯块密封于其中的锆合金包壳，可以有效防止裂变产物及放射性物质进入一回路水中。所以核燃料元件厂的要求是零泄漏，就是说出厂的核燃料元件都不允许存在泄漏。

作为核电站的燃料，核电的经济性要靠核燃料元件的成本控制来实现，如果核燃料价格很高，核电站就“烧”不起。2007年1月，世界核协会（WNA）给出的1 kg铀的核燃料组件的成本约为1 847美元，核燃料组件对上网电价的贡献约为0.51美分/kW·h，大约占上网电价的10%。可见核燃料的经济性还是相当不错，具有很强的竞争力。

核燃料元件与反应堆密切相关，与核电站的安全性、可靠性、经济性直接相关。所以从这个意义上说，周永茂院士说核燃料元件是贯穿整个核事业产业链的“脊梁”，是一个很确切的、形象的比喻。

廿三载如一日成功的技术引进

《中国核电》：我国核燃料元件产业目前处于什么发展水平？能否满足我国核电事业可持续发展的需要？

李冠兴：除了秦山一期采用的是我国自主研发的300 MW的燃料组件外，与我国引进的核电技术相应，我国核燃料制造技术先后引进了法国AFA2G、AFA3G与全M5AFA3G核燃料制造技术以及俄罗斯WWER1000核燃料制造技术、加拿大CANDU-600核燃料制造技术，和现在正在引进过程中的美国AP1000核燃料制造技术。这是因为不同堆型的反应堆需要不同型号的核燃料元件，每种核燃料元件都是专门为了一个堆型设计的，属于专用产品。涉及核燃料制造技术的转让从1991年算起，至今已有18年，如果把2013年我国开始生产AP1000核燃料元件，作为这一轮技术引进的结束的话，时间跨度为23年！

从技术引进上讲，我们是非常成功的。我们的核燃料元件技术转让和应用没有出过问题。目前，我国核燃料元件的制造全部实现了本地化。通过引进，我国核燃料组件的制造水平已经接近或达到国际水平，我们的质量保证体系与世界先进国家相比（如法国）也是一样的。2009年2月27日中核建中核燃料元件有限公司第4 000组核电燃料组件下线，并且无一支燃料棒因制造原因在堆内破损，创造出了“零破损”纪录，这是非常了不起的成绩。从产能角度上讲，目前国内南北两个核燃料元件生产基地通过扩产和新建，产能将持续不断地实现跨越，能够保证国内各种堆型核电站对燃料元件的需求。所以从技术和产能水平上来看，我国核燃料元件制造业是能够满足我国核电可持续发展需求的。《中国核电》：中国目前投产和在建的核电站同时使用法国、加拿大、俄罗斯和美国的不同机型，这种情况给我国核燃料元件产业带来了哪些影响？您如何看待多头引进和标准统一的问题？

李冠兴：多头引进是客观历史情况造成的，埋怨是没有用的。 我们应该积极地对待这个问题。多头引进确实造成了核燃料元件的多样性和严重的技术壁垒，但是也形成了我国核燃料元件制造业的优势。我们能够同时制造不同参数的法国、加拿大、俄罗斯和美国技术的核燃料组件，这也很了不起，见多识广嘛！如果我们能正确对待多头引进的问题，就可以吸收世界上多个先进国家的长处，取其所长，通过技术的引进、消化、吸收，发展具有中国特色的、先进的自主品牌核燃料元件产品。

目前，在核燃料标准制定的问题上，到底是以美国标准还是法国标准为基础，还有争议，但大方向已经定了，要搞一个我们国家自己的标准，这个意见是没有分歧的。

压水堆核燃料组件

积极发展核电机遇与挑战并存

《中国核电》：国家“积极发展核电”的政策和不断扩大的核电建设规模给我国核燃料元件产业带来了哪些发展机遇？李冠兴：一座百万千瓦级的压水堆核电站的堆芯装料需要约70 t铀的核燃料组件（核燃料组件的计量是用其包含的低浓铀来计算的，铀丰度一般为3%～5%)。按每年换三分之一料来计算，约需要24 t铀的核燃料组件。根据2020年我国的核电装机容量要达到4 000万千瓦，在建1 800万千瓦的数据来进行测算，我国燃料制造能力需求将达到1 273.2 t铀，接近目前西屋哥伦比亚厂1 350 t铀生产能力。预计到2030年我国核电装机容量将达到84 968 MW，将需要2 231.2 t铀，超过目前AREVA下属ROMANS（820)、LINGEN（650)和RICHLAND（650)三个厂的总生产能力。要知道阿海珐（AREVA)和西屋公司（Westinghouse Electric Company)是目前世界上最大的两个压水堆燃料制造跨国公司。十多年后，中国将成为世界上压水堆燃料制造规模最大的国家。这是超常规的跨越，也是巨大的机遇和挑战。

《中国核电》：在目前的形势下，在保障我国在役核电站和在建核电站的核燃料元件供给方面，有哪些亟待解决的问题？

李冠兴：我想目前主要有以下几个方面需要得到足够的重视。

首先，在产能规模的扩大方面。一是要有一个总体的规划，不要简单地以200 t的规模不断扩建。总体规划要一步到位，根据实际情况分步实施。二是要适当地增加投资，高标准地建设世界一流的元件制造厂。要向法国阿海珐的ROMANS厂和美国西屋的哥伦比亚厂看齐。特别要向法国阿海珐的ROMANS厂学习，阿海珐在2003年到2008年投入1亿欧元，使其元件制造厂ROMANS进一步现代化，成为世界标杆，理念很先进，值得借鉴。

其次，核燃料元件制造要完成由本地化向国产化的转变。特别是锆合金包壳管及其相关材料，如条带等一直依赖国外进口，而国外供应商的供货价格又一直持续不断地上涨，给我国元件制造厂带来了不小的压力。国家在三代招标中，在引进AP1000核燃料元件制造技术的同时，引进了西屋锆材生产链的全部技术，包括海绵锆生产、合金熔炼、条带和管材制造等全部生产工艺。这是一个很大的突破。但是，法国AFA3G燃料元件制造过程采用的M5锆合金包壳管及其坯料，仍然没有得到很好的解决。

第三，要加强元件制造关键装备的研发。如旋转压机、烧结炉、骨架自动焊机、格架自动激光焊机、ZrB2溅镀设备和干法转化（IDR)工艺装置等关键装备，一直都依赖进口。有条件的装备要积极开展研发，实现国产化。

第四，要有保护我国核燃料元件制造产业的意识和措施。铀资源大国如哈萨克斯坦、加拿大与澳大利亚，和核燃料制造大国法国和俄罗斯等都想在我国核燃料元件制造的大市场中分得一杯羹。特别要防止某些国家以资源为突破口，冲击和瓜分我国核燃料循环产业市场。目前我们对核燃料元件制造业的保护意识比较淡薄，片面理解市场经济和与国际接轨的提法，其实各国都有保护政策。建议国家对进口核燃料组件征收相应的关税，保护和促进我国核燃料循环产业的快速发展，使其做大做强。对于核燃料组件的成本要有一个辩证的看法。我们目前的成本比美国高，比日本、韩国低，大致和法国相当。这主要是由于目前生产规模小和老企业包袱多，负担重所致。一旦规模上去了，我认为我国制造的核燃料组件将会是全世界质量最好的，价格最低的。我对此深信不疑，希望得到全国核电站业主的支持。

《中国核电》：刚才您提到引进国外核燃料元件的问题，从国家政策的层面，目前是否允许直接引进核燃料元件？

李冠兴：除了少量核电站的首炉料或首炉料加上若干后续换料有国外厂商供货的少数情况外，目前，在国家政策上还没有开这个口。存在的隐忧是直接引进成品或半成品的核燃料元件会阻碍和扼杀我国整个核燃料循环前端产业的快速发展和壮大。从核燃料循环的角度看，元件生产出来供核电厂使用后，还有一个乏燃料后处理的问题，也需要得到应有的重视。因此，从政策层面上说，国家应严格控制或禁止核燃料组件成品和半成品的进口。

自主化道路任重而道远

《中国核电》：中国的核燃料元件制造行业与拥有国际知名的自主品牌的目标差距有多大？

李冠兴：秦山一期核电站使用的300 MW 15×15燃料组件是我国在20世纪80年代独立自主开发研制的第一代压水堆核电站燃料组件。到目前为止，制造的燃料组件没有一支燃料棒发生破损。实践证明秦山一期燃料组件的设计和制造都是成功的。

90年代我国开始引进法国核电技术，与此同时，也同步引进法国的燃料组件制造技术，从AFA2G（1991年引进)，AFA3G（1998年引进)直至全M5AFA3G（2003年引进)。燃料制造技术的引进，一方面提升了我国的燃件组件设计和制造技术水平，另一方面也阻滞我国自主品牌燃料组件的研发。加之核电适度发展的方针，使我国自主品牌燃料组件的研发几乎停顿了十年。“十五”期间，在对AFA2G及AFA3G组件的设计和制造技术进行消化与吸收的基础上，我国开展了具有自主知识产权的第二代压水堆燃料组件，即高性能燃料组件的研制，进展虽然并不十分理想，但是这些工作为后续进行国产高性能先导燃料组件的研制奠定了基础。

燃料组件的研制，体系复杂，要历经设计、设计验证、制造、辐照考验和辐照后检查等相互影响的过程，历时长，一般要10～15年。所以各国在燃料组件研发中都坚持应用一代，开发一代和预研一代的发展模式，以缩短研制周期。美国西屋公司是研发燃料组件的鼻祖，从历史上看，一般3～5年就会有较大改进或更新一代。法国的下一代是ALLIANCE，或许正等着我们的另一次技术引进！由于研制体系复杂和研制周期长，导致燃料组件的研制的第三个特点是投资大。

总之，我们与西方发达国家相比，在自主品牌的研发方面，大约有15年的差距。我们要急起直追，争取跨越式发展。

压水堆核燃料组件

大力协同为中国核电强筋健骨

《中国核电》：请您谈谈我国核燃料元件产业发展的战略思路？李冠兴：我国核燃料元件产业发展的战略思路应该包括以下几个方面。

首先，要完善压水堆核燃料元件及关键材料的制造体系，保障我国在役核电站和在建核电站核燃料的供应。

其次，要通过消化国际上先进的压水堆燃料组件技术，建立并完善具有自主知识产权的先进燃料组件研发的技术体系，建成核燃料组件的研发平台，研制我国核电站燃料组件的自主品牌，在我国核燃料元件领域建立应用一代、开发一代、预研一代这样良性的发展模式。

第三，要加强核燃料的基础研究，结合世界核燃料元件的技术发展，开展第四代核电站用核燃料及结构材料的先期研究，满足核能可持续发展、安全可靠以及环保的要求。

《中国核电》：在目前的情况下，发展我国自主品牌的核燃料元件产品，您认为各有关方面应该做好哪些工作？

李冠兴：我想有以下几个方面的工作应该加以考虑。

首先，要在“十五”研发的基础上，加速推出我国第一代自主品牌的高性能核燃料组件。其主要特征是采用我国自主品牌N36锆合金包壳材料。目前主要的工作是N36锆合金的工程化应用研究、先导组件的制造和落实随堆考验。

其次，要着眼于长远，建立科学的核燃料元件研发体制。这个体制应该包括有效的行政管理体系和技术体系。行政管理体系要能够统筹管理高性能核燃料元件和结构材料的研究开发，协调各有关环节的关系，尤其是先导核燃料组件的随堆辐照考验、辐照后检验、核电站运行经验的积累和反馈等工作，为自主知识产权核燃料元件的研发及商业应用提供保障条件。技术体系方面，应该组成一个由核燃料元件设计单位牵头，有核燃料元件制造企业、锆材生产企业、核电企业（业主）、高校参加的核燃料元件研发中心，全面负责我国先进核燃料组件的设计、试验、制造、辐照考验及检验和商业化应用，成果共享。在这个问题上，韩国的经验值得我们借鉴。韩国从国家层面建立了完整的核燃料元件研发的长效机制，由设计方牵头、核电业主提供资金支持和燃料棒解剖、元件辐照等硬件条件，为其核燃料元件的研发提供了有力的保障。

第三，要提倡和营造鼓励创新的文化氛围。我愿意引用托马斯·弗里德曼在其《世界是平的》一书中的一段话来说明这个问题。

书中写到，2005年10月24日，《时代》杂志发表了有关苹果电脑最新发明的封面故事，封面是乔布斯手持最新款的苹果掌上电脑（这款电脑能播放视频和音乐）。大标题是这样写的：“总是知道下一个是什么的人”。这正是美国在一个平坦的世界里保持繁荣的唯一途径—如果我们能持续地发明下一个新的东西。我的朋友杰里·劳是一位印度企业家，他有一次说，对印度和中国来说，未来是非常清晰的。他们准确地知道他们未来将要干什么。“我们在未来将要做美国今天正在做的事情，而美国的工作是去创造未来”。美国的工作不是去和印度、中国争夺旧的中产阶级的工作，而是创造新的中产阶级工作岗位乃至更多。“这是很难的”，杰里·劳补充说，“因为你不知道未来是什么样子的”，也因为你必须树立坚定的信念，认为自己总是能够创造出下一个新的东西。

这段话非常发人深省。“我们在未来将要做美国今天正在做的事情，而美国的工作是去创造未来”。这句话有点刻薄，但我认为在某些科技领域里我们的确落后于美国等西方发达国家（在社会科学领域里不成立，因为中国特色的社会主义是全新的概念，是中国人民和中国共产党的创造，我们在开创未来，而不是美国)，应该说这是过去的历史造成的，因为美国等西方国家是发达国家，我们是发展中国家；美国等西方国家是先行者，我们是后来者，因此有其历史必然性。我们要努力突破旧有的桎梏，要大力提倡和积极营造鼓励创新的文化氛围，实现技术的跨越式发展，我想现在应该是时候了。

第四，要大力弘扬“两弹一星”精神。1999年9月，党中央、国务院在表彰为研制“两弹一星”作出突出贡献的科技专家大会上，将“两弹一星”精神进一步概括为“热爱祖国、无私奉献，自力更生、艰苦奋斗，大力协同、勇于登攀”，明确指出它是爱国主义、集体主义、社会主义精神和科学精神活生生的体现。没有高于国家利益的企业利益，要把国家全部从事核事业的力量团结起来，从国家利益、民族利益出发去开展工作，加强行政协调，整合全国资源。“两弹一星”精神是核工业的精神，也是全体核工业人的精神，要努力发扬光大。

重水堆核燃料组件

编者按：国家积极发展核电的方针政策，给我国核燃料元件产业的发展带来了新的机遇和挑战。目前，中国在建核电站总装机容量已经达到了2 540万千瓦。被誉为核事业“脊梁”的核燃料元件产业在产能和技术水平等方面能否支撑起我国核电事业未来的发展？核燃料元件产业在自主化道路上又有哪些亟待解决的问题？带着这些疑问，本刊记者采访了中国核燃料领域的领军人物李冠兴院士。

To straighten the backbore of China nuclear enterprise—Special interview with academician LI Guanxing