一、從一根鋯管到國際突破：核動力院的八年長征

2024年8月27日，上海福宜真空設備有限公司的廠房內，一組泛著冷冽金屬光澤的4米長Cr涂層鋯合金包殼管整齊排列。隨著專家組在驗收報告上落下最后一個簽名，由中國核動力研究設計院牽頭研制的國內首套核電耐事故燃料（ATF）先導組件用Cr涂層鋯合金包殼產品正式交付。這一刻，中國成為全球第三個掌握全尺寸Cr涂層包殼管批量生產技術的國家?！斑@是從‘0’到‘1’的突破，更是從‘1’到‘100’的跨越?！表椖考夹g負責人張瑞謙凝視著驗收現(xiàn)場，思緒被拉回八年前——那個以“一個人、一根管”為起點的故事。

2018年，作為技術負責人的張瑞謙接到一項看似“不可能完成”的任務：在一年內完成Cr涂層鋯合金包殼輻照樣件制備并實現(xiàn)入堆驗證。當時，團隊才剛剛利用Zr合金板材論證收斂確定選用Cr作為涂層材料，國內還從未有過在米級鋯合金管上制備過Cr涂層的經歷?！拔铱钢幻锥嚅L的鋯合金管，跑遍了大半個中國。”張瑞謙回憶道。從成都到西安，從南通到長沙，從重慶到上海，他帶著樣管拜訪了十余家科研單位和企業(yè)。彼時，國內普遍采用“分段鍍膜”工藝，但核燃料元件需要的是4米長無縫涂層管，技術難度呈指數(shù)級增長。

凌晨四點半的鬧鐘成了他的生物鐘。連續(xù)兩個月，他每天凌晨驚醒，反復推演涂層均勻性、結合力、高溫穩(wěn)定性等關鍵技術參數(shù)。在與團隊核心骨干王昱的反復討論中，他們有了新的想法：“傳統(tǒng)靜態(tài)沉積必然導致兩端厚度差異，如果讓鋯管在真空腔體內同時自轉和公轉呢？”這個被稱為“動態(tài)平衡沉積法”的創(chuàng)新思路，最終在實驗室實現(xiàn)突破。同年12月，這根凝聚著心血的Cr涂層管順利入堆，輻照后拉伸10%涂層無脫落，為技術路線驗證撕開了一道曙光。

全尺寸Zr合金包殼Cr涂層沉積裝置

二、爭分奪秒，特征化組件研制急行軍

2019年年底，核動力院與上海福宜真空設備有限公司組建聯(lián)合團隊，向全尺寸Cr涂層制備裝備發(fā)起攻堅，瞄準2021年特征化組件入堆輻照的節(jié)點全力沖刺。2020年年初，團隊面臨著針對4m長涂層包殼管“無裝備、無場地、無工藝”的三重困境，加之突如其來的新冠疫情全國管控，工作推進異常艱難，然而，團隊歷經3個月的裝備設計和3個月的組裝調試，團隊最終將這臺設備妥善安頓下來了。

在上海福宜真空設備有限公司的廠房里，機械工程師正趴在4.6米高的裝備真空腔體上，用千分尺測量焊縫精度。“傳統(tǒng)拼接工藝會產生200多個漏點，我們得造出國內首臺超大型PVD裝置無焊縫真空容器。”團隊創(chuàng)新發(fā)明“厚板整體彎折無焊縫成型技術”，將20毫米厚不銹鋼板一次性彎折成直徑1.5米的圓柱體。此外，團隊還發(fā)明了超大立式平秱式前開門結構、耐高溫磁流體密封技術，將抽氣速度提升至30分鐘達10-4Pa，實現(xiàn)了超大腔體10-5Pa級別的高動密封以及安全系數(shù)2.5級的高強度。

腔體結構解決后，接下來面臨的難題就是決定沉積質量的關鍵因素：弧源。團隊創(chuàng)新發(fā)明電磁/永磁復合磁源技術、高頻脈沖弧電源及高速引弧技術、雙源磁約束弧源結構、自主面水冷卻結構、裝配間隙穩(wěn)弧結構和等離子濃度半峰寬弧源布局5大技術，解決了弧源可靠性、批量制備沉積速率低、軸向均勻性控制難、靶材利用率低等問題，實現(xiàn)了超過90%的高離化率、60%的靶材利用率、跑弧/熄弧概率<3%的高可靠性以及軸向厚度偏差<10%的高軸向均勻。

在隨后的批量化生產過程中，團隊進一步發(fā)明抗彎曲裝載技術、高頻脈沖弧工藝技術、有效抑弧運維保障技術，解決了細長管件裝載難、大規(guī)模制備涂層沉積速率低、連續(xù)批制備不穩(wěn)定的問題，實現(xiàn)管件零彎曲、規(guī)?；咝С练e和高可靠生產，達到30支/爐生產水平。2021年11月，團隊制備的Cr涂層包殼特征化組件經過工藝鑒定及產品鑒定的嚴苛質量審查后，順利入商用堆輻照。

2022年，這臺凝聚著300多項技術創(chuàng)新的設備依托“華龍一號”項目進行裝備研制鑒定，于俊崇院士為專家組長。經過現(xiàn)場專家的討論決議后，最終的專家鑒定意見中留下了這樣的描述：“該項目自主研制出國內首臺套核電耐事故鋯合金Cr涂層包殼制備裝備，填補國內相關領域空白，具有完全自主知識產品，達到國際同類裝置先進水平”。

三、水下0.1微米的生死時速：池邊檢查攻堅戰(zhàn)

特征化組件入商用堆輻照經歷一個循環(huán)后的2023年5月，福建福清核電站燃料水池邊，一場沒有硝煙的戰(zhàn)役已經打響。核動力院池邊檢查團隊需要在24小時內，完成國內首次Cr涂層組件水下檢測——這不僅是技術首秀，更關乎整個ATF項目的未來發(fā)展。

在核電燃料池邊檢查實施過程中，項目組面臨異物風險、輻射風險、吊裝風險、臨邊作業(yè)風險以及燃料操作風險。檢查組長高三杰穿著30斤重的鉛衣，緊盯監(jiān)控屏幕。傳統(tǒng)光學設備在強輻射下會產生70%的雪花噪點。為此，青年黨員突擊隊三天三夜未合眼，開發(fā)出“時空域自適應濾波算法”，硬是將圖像清晰度提升80%。更棘手的是微米級厚度測量：15—30微米的Cr涂層需與鋯基體氧化膜區(qū)分檢測，誤差必須小于0.1微米。團隊發(fā)明“雙頻渦流傳感器”，利用Cr與Zr氧化膜電導率差異，實現(xiàn)了水下無損精準測量。當?shù)谝淮窝h(huán)后的池邊檢查數(shù)據(jù)按時提交時，現(xiàn)場爆發(fā)了熱烈的掌聲。

而2025年1月的第二次循環(huán)后的池邊檢查，無論是檢測項目還是檢測工作量較第一次都大幅增加。特別是池邊檢查設備在燃料水池下水環(huán)境中經過近兩年的存放，對于設備使用狀態(tài)要求極高。第二次池邊檢查結果對先導組件入堆數(shù)據(jù)及評價的影響更為直接，這給檢測團隊及研制團隊都帶來了極大壓力。第二次池邊持續(xù)工作近2月，檢測團隊圓滿完成了所有檢查工作，獲得的數(shù)據(jù)有利地支撐了Cr涂層包殼的后續(xù)研發(fā)，為項目組團隊吃了一顆定心丸。

先導組件源地驗收

四、90支管的“生死劫”：量產化突圍戰(zhàn)

特征化組件的輻照數(shù)據(jù)推動著先導組件的研發(fā)之路。先導組件所需管材數(shù)量急劇增加，制備壓力陡增?！氨仨氁瓿僧a能擴充并通過穩(wěn)定運行驗證”。面對巨大壓力，項目團隊討論后做出了決策。但當設備從“一爐30支”升級至“一爐90支”時，困難開始涌現(xiàn)。

2023年5月20日凌晨4點，一陣刺耳的電話鈴聲劃破夜空——“轉架卡死了！”工藝工程師發(fā)現(xiàn)自轉軸陶瓷軸承碎裂，價值數(shù)十萬的爐次面臨報廢。團隊核心骨干陳寰現(xiàn)場拆解發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷耐溫僅400℃，而實際工況達450℃。緊急更換碳化硅陶瓷軸承后，又設計“動態(tài)平衡補償”結構，通過180個微型電磁鐵實時調整夾持力，終于讓轉架在高溫下平穩(wěn)運轉。更大的麻煩在第七爐試驗過程中爆發(fā)：由于新舊弧源護罩公差僅差0.02毫米，導致等離子體散射，整爐產品表面出現(xiàn)詭異色斑?！皟蓚€護罩肉眼幾乎無法分辨，就像手術刀差了半根頭發(fā)絲的精度?！备Ｒ爽F(xiàn)場團隊立即啟動變更管理回溯，建立“雙人三查”制度，將人為失誤率從1%壓至0.05%。

為徹底解決長尺寸管材裝載構件大批量裝載易干擾、大型轉架高溫運行易卡頓、大型設備批量生產維護保養(yǎng)控制難等問題，團隊歷經6個月，設計了基于從動齒輪雙層結構的行星式二維轉架。轉架采用承載主軸承外置結構和一體化全金屬耐高溫自轉軸結構。與此同時，團隊還建立了一整套細致的批間維護保養(yǎng)規(guī)程，終于實現(xiàn)無干擾大裝載量（90支/爐 ）、高溫零卡頓（450℃）、周向高均勻（ 偏差<3%）等技術能力，為先導組件批量生產提供了強有力的保障。

至2024年8月，團隊累計交付2000余支產品，良率達99%，支撐4組先導組件制造。期間形成的15份工藝標準、5項團體標準，構建起Cr涂層包殼制備的“護城河”，為未來批量生產打下堅實的基礎。

2024年8月，先導組件Cr涂層包殼管材順利通過源地驗收。這使中國成為全球第三個完成Cr涂層包殼先導組件研制的國家，具有重要里程碑意義。

五、從跟跑到領跑：中國方案的全球突圍

如今，核動力院已建成全球領先的Cr涂層包殼產業(yè)鏈，年產能突破萬支。這項技術帶來的不僅是安全革命——燃料棒燃耗躍升，單臺機組年省換料成本顯著；更是國際話語權的顛覆：團隊發(fā)表的43篇論文被美、法、日等國廣泛引用，6項團體標準填補國內空白。

2023年11月，中國核工業(yè)集團有限公司在北京組織專家召開科技鑒定會，葉奇蓁院士任組長。當天的鑒定會對核動力院承擔的“鋯合金包殼表面Cr涂層制備工藝與性能評價技術”項目進行了如此評價：“技術難度大，創(chuàng)新性強，具有完全自主知識產權，核心技術自主可控，總體技術達到國際先進水平，其中沉積速率與涂層結合力等國際領先，具有顯著的經濟/社會效益與推廣應用前景?！?/span>

2024年，“鋯合金表面Cr涂層制備與評價技術”榮獲中國核能行業(yè)協(xié)會科學技術獎科技進步一等獎。

六、結語

八年間，那些凌晨四點半的星光、真空腔體前的汗水、燃料水池邊的堅守，早已化作中國核工業(yè)人最鏗鏘的宣言。從一根鋯管的孤勇探索，到問鼎國際先進水平；從被技術封鎖的困境，到制定全球行業(yè)標準——Cr涂層包殼技術的突破，不僅筑牢了核電安全屏障，更讓中國在核燃料競技場上完成了從追隨者到引領者的華麗蛻變。這，正是大國重器最深沉的力量。