今年3月4日，中國原子能科學(xué)研究院在微型反應(yīng)堆臨界裝置上開展低濃鈾凈堆首次臨界實驗，并安全達到臨界，這標(biāo)志著微堆燃料富集度從原先的90%降至12.5%是成功的，微堆低濃化工作由此進入全面實施階段。
在隨后于荷蘭海牙舉行的第三屆核安全峰會上，中國亮出了自己的成績單，其中提到：高濃鈾低濃化改造是核安全峰會確定的加強國際核安保的重要措施之一，中國承諾愿意幫助有需要的國家開展高濃鈾研究堆改造工作。“可以說，現(xiàn)在中國掌握了技術(shù)，能夠為其它國家設(shè)計建造的高濃鈾微堆更換低濃鈾燃料。”中核集團董事長、黨組書記孫勤在海牙接受采訪時表示，中國在微型核反應(yīng)堆高濃燃料的低濃化改造方面取得積極進展，對全球核安全進程貢獻突出。
作為我國和平利用原子能的窗口，原子能院人從微堆研制、開發(fā)到商業(yè)推廣應(yīng)用，經(jīng)歷過從艱苦創(chuàng)業(yè)到創(chuàng)造輝煌的歷程。近年來，隨著國際形勢發(fā)生變化，微堆低濃化改造已成為象征人類在追求核安全的道路上不斷向前探索的一個風(fēng)向標(biāo)。而原子能院作為我國微堆研制、開發(fā)的領(lǐng)軍者，注定將要再次迎接新的挑戰(zhàn)。
從自主研發(fā)到自主改造
原子能院微型反應(yīng)堆的研究建造可以追溯到上世紀(jì)70年代末、80年代初，當(dāng)時我國自行研制微堆的工作正全面展開。在科技工作者的不懈努力下，經(jīng)過多種物理設(shè)計方案的理論計算和零功率實驗驗證，克服了一個又一個困難，1984年3月，原子能院自主開發(fā)、研究、設(shè)計、建造的北京原型微堆順利建成并投入滿功率運行。
1985年，原子能院開始進行商用微堆的定型設(shè)計，在原型微堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的商用微堆主要供大學(xué)、科研單位等進行教學(xué)、活化分析、培訓(xùn)等。
原有微堆的燃料元件使用的是高濃鈾。近年來，由于受到國際大環(huán)境、燃料低濃化和應(yīng)用多樣化等研究堆發(fā)展趨勢的影響，我國設(shè)計建造的高濃鈾微型反應(yīng)堆受到國際原子能機構(gòu)（IAEA）的高度重視，IAEA多次提出，希望微堆燃料實施低濃鈾轉(zhuǎn)化。
1995年，原子能院微堆室開展了“微堆堆芯物理方案改善的探討”課題研究，對當(dāng)前設(shè)計的微堆堆芯的物理特性進行了分析、評估，探討了優(yōu)化堆芯的途徑，對微堆燃料低濃化進行了初步的分析和計算。在此基礎(chǔ)上，在不改變微堆堆芯和燃料元件基本幾何尺寸的前提下，最終設(shè)計出適宜于商用微堆堆芯尺寸的優(yōu)化低濃二氧化鈾陶瓷燃料方案，并對這種優(yōu)化堆芯的物理特性做了比較仔細(xì)的理論分析。
從2006年開始，原子能院微堆室多次參加了IAEA組織的微型反應(yīng)堆低濃化會議，對微堆低濃化可行性進行了計算和分析。2008年，鑒于原子能院在微堆研發(fā)方面的成熟技術(shù)，IAEA建議首先在原子能院微堆上進行高濃鈾的低濃化轉(zhuǎn)換實驗。
2010年9月，在IAEA的協(xié)調(diào)下，原子能院與美國阿貢實驗室簽訂了微型反應(yīng)堆低濃化實驗合同，合同于2012年4月生效。
從全力攻關(guān)到“趕鴨子上架”
微堆低濃化合同生效后，原子能院微堆室立即進入攻關(guān)備戰(zhàn)階段，相繼組織開展了微堆低濃鈾堆芯的物理設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等相關(guān)工作。微堆低濃化轉(zhuǎn)化即以低濃鈾燃料替代原有的高濃鈾燃料，轉(zhuǎn)化后還需利用原有筒體裝料運行，要求堆芯尺寸不能改變。另外，為保證微堆的固有安全性，低濃鈾微堆后備反應(yīng)性須限制在3.5~4mk內(nèi)，這些條件對物理設(shè)計提出了很高的要求。
通過多次計算模型的驗證，微堆室完成了優(yōu)化的低濃鈾堆芯物理設(shè)計，由于低濃鈾堆芯的燃料芯體和包殼材料與之前不同，其熱工、物理性能等均有較大不同，需重新進行物理、熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計，且只能在原有小尺寸的堆芯空間內(nèi)做出合理調(diào)整，從而增加了設(shè)計難度。通過反復(fù)的理論計算和力學(xué)分析，微堆室完成了既滿足物理設(shè)計要求，又滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的低濃鈾堆芯設(shè)計。
從設(shè)計成功到付諸現(xiàn)實還有很漫長的一段路要走，尤其是對低濃鈾燃料的加工制造。低濃鈾燃料是核心部件，它的加工是否順利是微堆低濃化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在確定好加工制造單位之后，微堆室全體員工上下一心，開足馬力進入備戰(zhàn)階段。然而這時，新的問題又出現(xiàn)了，由于種種復(fù)雜的原因，在很短的時間內(nèi)，堆芯元件加工制造的成本一下子上漲了近乎一倍。于是微堆低濃化零功率實驗陷入了兩難的境地，一方面因缺少資金使得關(guān)鍵部件遲遲不能加工制造，另一方面上級下達的完成臨界日期不能改變。
臨界日期步步逼近，堆芯元件加工制造卻遙遙無期。回想起那段如坐針氈、備受煎熬的日子，微堆室主任李義國至今依然感慨萬千：“對于像我們這樣搞科研的知識分子來說，去做商業(yè)談判有點‘趕鴨子上架’的感覺。通過這個項目，讓我們實打?qū)嵉貙W(xué)到了很多針對國際商業(yè)談判的知識。”
經(jīng)過艱苦的努力和多方的幫助，低濃鈾燃料的加工合同終于拿下來了。
從心在一起到勇挑大梁
“心在一起才叫團隊”，一個優(yōu)秀團隊最重要的標(biāo)志，就是當(dāng)遇到困難時全體成員心往一處想，形成合力戰(zhàn)勝困難。微堆室正是這樣一個團隊。該室現(xiàn)在共有13人，其中有9個是30歲左右的年輕人，可以說充滿朝氣、干勁十足。燃料加工制造好以后，開始進入安裝調(diào)配階段，大家夜以繼日地投入到緊張的工作中去，每一個崗位上都可以看到忙忙碌碌的身影。
為了保證項目進度，實驗都是連續(xù)安排的，大家往往中午吃完盒飯就接著干活。有時為了實驗需要，甚至早上吃完飯進入實驗室一直干到下午三、四點鐘，午飯根本沒有時間吃。實驗人員周末加班更是家常便飯，高強度的工作讓人幾乎沒有喘息的時間。面對這些，實驗人員毫無怨言，實驗期間無人請假。值班長是微堆零功率實驗的核心人物，對整個實驗進行全面把握，在出現(xiàn)狀況時需做出正確判斷，對整個裝置的安全負(fù)責(zé)。零功率裝置運行時，按規(guī)定每班次必須有一個值班長，值班長同一天不能值兩個班次，而微堆室只有一個值班長，每天只能安排一個班次。每班次的實驗要求不能間斷，需始終保持高度注意集中，精神緊張，非常耗費精力。
物理員的職責(zé)是負(fù)責(zé)實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)測和記錄，同時還要完成堆芯的物理操作，在實驗中起到至關(guān)重要的作用。在微堆零功率實驗過程中，需要近距離用手在水中添加燃料元件。每一根燃料元件的直徑僅有5mm，每兩根的元件間隙也只有5.48mm，這些燃料元件要放置在實驗用的“鳥籠架”內(nèi)，“鳥籠架”是直徑240mm、高270mm的狹小空間，元件呈同心圓排列，并且還需要放置在對應(yīng)的柵位上，完成這項工作需要極大的細(xì)心和耐心。另外，這項操作在實驗中是反復(fù)進行的，需要按照實驗數(shù)據(jù)隨時做出調(diào)整，有時好不容易安裝上了幾根燃料元件，因為吻合度不好，又要重新拆下來進行修正，這樣的過程持續(xù)時間長且頻繁，幾位實驗人員每天都要像繡花一樣謹(jǐn)慎細(xì)致地實行著操作。
在進行實驗時，正值3月份，氣溫還很低，在實驗容器內(nèi)的去離子水的溫度只有10攝氏度，手感冰涼，由于完成該操作的物理員的手要一直浸在水里，雙手始終是通紅的，再加上操作后的頻繁洗手，手上裂開了一道道的口子……如此天天反復(fù)，一直堅持到實驗結(jié)束，物理員們始終保持認(rèn)真的工作態(tài)度，沒有絲毫懈怠。
由于受物理大廳條件的限制，實驗堆坑尺寸狹小擁擠，實驗布置和結(jié)構(gòu)部件裝配較為困難。而為了爭取項目時間，前期調(diào)試又是在沒有放置堆芯和結(jié)構(gòu)部件的情況下進行的，后期裝配能利用的空間更加有限。現(xiàn)場操作時，吊車使用不便，結(jié)構(gòu)部件裝配時不易對中，實驗布置和部件裝配人員需趴在筒體上，才能探身用手將其調(diào)整好……在困難面前，大家協(xié)調(diào)一致，共同完成了零功率實驗裝置的準(zhǔn)備工作，為實驗開展打好了基礎(chǔ)。
談起做實驗的那段日子，李義國臉上洋溢著欣慰的笑容。他說：“我很為我們微堆室這個團隊感到自豪！大家真是一支能打硬仗的隊伍。尤其是幾位年輕的科技人員，他們有的是研究生剛畢業(yè)，參加工作僅僅兩三年，我們就讓他們負(fù)責(zé)設(shè)計、研發(fā)等重要任務(wù)，讓他們挑大梁。這些年輕人虛心向前輩請教，下苦功夫?qū)W習(xí)，每個人都不負(fù)眾望，出色地完成了自己的任務(wù)。”
經(jīng)過微堆室全體工作人員的艱苦努力，零功率實驗終于按計劃按要求順利完成。實驗的成功落實了核安全峰會的有關(guān)承諾，成為中美雙方在核領(lǐng)域合作取得的舉世矚目的重要進展。
談到微堆今后的發(fā)展前景，李義國充滿自信地表示：“今年3月5日，國際原子能機構(gòu)理事會已經(jīng)核準(zhǔn)了中國向加納微型中子源反應(yīng)堆供應(yīng)低濃鈾的協(xié)定，我們正在全力推進項目的進行。微堆高濃鈾低濃化改造成功是中國為世界反核恐怖主義、加強國際核安保作出的實實在在的貢獻。我們會堅定地沿著這條路走下去！”
