在热播剧《许你万家灯火》中，为减少内耗，叶家明主动放弃与许济山的总师竞争，申请去了材料所，把时间和精力用到更值得的攻克技术难关的地方。在餐厅里找灵感，在实验室里日日夜夜做实验，从克服资金缺乏、研发瓶颈，到取得重要突破，跌宕起伏的剧情让观众感受到技术研发背后的不易。但事实上材料所的故事仅仅只是中国自主核燃料研发的一个缩影，真正的研发之路更加曲折漫长……

启程：迎难而上

核燃料组件是核电站的核心部件，是核电的能量源泉，被称为反应堆“心脏”，对核电站的安全性、经济性和可靠性都有着至关重要的作用。这颗“心脏”研发是一个复杂而漫长的过程，从概念设计到商业应用需要数十年的沉淀。

为此，中国核动力研究设计院CF燃料研发团队十年磨一剑，成功研制出了我国首个具有完全自主知识产权的CF3燃料组件。

CF是“Chinese Fuel”的缩写，代表了中国人自己的燃料品牌。

但CF研发之路从一开始便充满荆棘：一方面由于我国核电燃料研发起步晚，在设计、实验各方面与国际核强国存在较大差距；另一方面，由于采用引进技术路线，我国大部分核电站使用的核燃料组件均为引进国外技术，在国内制造。长期以来，无论是核心技术、原材料，还是关键部件供应都严重依赖于进口。

没有自主知识产权，就要受制于人。

2008年，在大亚湾核电站AFA3G燃料组件会议上，法方代表说：“我们旧格架库存量那么大，落后产品不卖给你们中国还能给谁？”

这段经历一直深深印刻在中核集团燃料首席专家、CF专项总设计师焦拥军的脑海里，“他们傲慢的神情，我至今不曾忘记。”他暗暗下定决心，一定要研制出属于中国自己的核燃料组件。

为了打通核燃料这个关卡，2010年，中核集团启动了大型商用核电站自主化压水堆燃料元件研发，并将“CF系列燃料（压水堆燃料元件设计制造技术）”列为集团首批科技重点专项之一。

CF系列燃料承载的自主创新的核能梦正式起航，从包壳材料到组件设计，具有完全自主知识产权核电燃料研发进入了快车道。

突破：自主创新

要问项目最大困难是什么？

——那必然是专利壁垒。

以起到燃料组件支撑作用的下管座为例，像法国阿海珐这样的国际燃料巨头，早已通过多年的研究，将下管座相关设计方案都申请了专利。换句话说，国外核电强国在燃料组件上对我国形成了全范围、立体式的知识产权封锁。

“想要突破国外专利和技术转让协议的限制，就必须完全创新设计。”CF燃料研发人员说，“虽然下管座仅有普通快递盒般大小，但它作用却很大，既要固定燃料组件，同时还要起到过滤堆芯异物的作用。”

如何在高度为几厘米的空间内实现满足使用需求，且为完全自主创新的设计，研发团队感受到了前所未有的巨大压力。

设计的灵感往往就来源于生活。

在一个平常的早晨，研发人员吃早餐时，放置餐盘的置物架吸引了他的注意：餐盘的形状与置物架摆放所形成的间隙产生了一个空间曲面通道，如果将这样的结构对应在下管座上，正好可以成为过滤一回路中异物的“克星”！

在餐盘灵感的指引下，研发团队创新性的设计了空间曲面下管座，其异物过滤效率相比AFA3G提升12%，并额外具备30%的异物捕捉能力。这一设计在后续的堆外试验、堆内考验中，表现出可靠的过滤性能，技术先进性得到了行业内的广泛认可，由此申请的发明专利《一种具有过滤异物功能的下管座》也成功斩获中国发明专利奖。

关键技术的研发是一场没有硝烟的战争。这一点在CF燃料组件包壳材料锆合金的研发上也体现得非常明显。

作为核电厂防止放射性物质泄漏的第一道安全屏障，核燃料组件包壳管是CF燃料研发项目中的重中之重。

“想要研制出自主知识产权的包壳管，关键就在于它所使用的材料，而之前这在国内还属于技术空白。”锆合金材料研发项目总负责人赵文金介绍。

为了填这项补空白，研发出中国自己的包壳材料，核动力院人用了36年的时间，突破了N36管棒材研制过程中的一项项关键技术，让我国成功掌握了完全自主知识产权的高性能锆合金包壳材料研制技术。

任何设计也都离不开试验的验证。堆外试验是CF燃料研发必经“战场”。

在CF燃料组件定位格架的临界热流密度试验中，研发团队就遭遇了“冷棒临界”这一世界难题。

“按照试验设计，在5x5排列的燃料组件中，位于中间的3x3的9根热棒应该先达到临界，但试验过程中，处于外围的16根冷棒却先触发了临界。”CF核燃料临界热流密度试验团队负责人郎雪梅说，这意味着试验数据不是有效的，无法对组件的临界热流密度性能做出准确评估。

为了啃下这块硬骨头，科研人员像中了魔咒一般，一遍遍的计算，一次次的模拟，最终提出了8种格架设计的建议方案，并通过进一步计算选取2种最佳的方案进行实验。

2015年8月15日，当显示器上曲线走势符合实验预期，宣告了困扰整个团队近3年的冷棒临界问题得到了彻底的解决，中国成为了世界上掌握此项技术的少数国家之一。

通过此项试验，也充分验证了CF格架优异性，热工性能比国际先进的AFA3G燃料组件格架提升了5%。

“CF组件作为我国具有自主知识产权的核燃料组件，代表国家高科技发展水平，到国际市场争取份额，抢蛋糕，必须要有高品质高要求。”焦拥军说。

正是这样的目标，CF燃料团队通力合作、集智攻关，攻克了关键技术瓶颈，收获了50余项核心专利，创造了多个国内“第一”，填补了我国核燃料元件设计制造的空白，荣获了国防科技进步一等奖、二等奖等。

跨越：奋发前行

燃料组件的研发都是以入堆辐照考验作为验证。

2012年6月，N36特征化燃料组件入堆考验。

2014年7月，CF3先导组件入堆考验。

2019年3月，CF3燃料组件顺利完成了3个长循环辐照考验。

真金不怕火炼。经辐照后和池边检查的结果表明，CF3燃料组件性能良好，符合设计预期。这标志着我国全面掌握高性能核燃料研制技术，形成完整的具有国际市场竞争力的自主燃料体系和产品供应能力，并进入产业化应用阶段。

CF3燃料组件的研制成功，真正使得国内摆脱了无自主知识产权燃料品牌的困境，打破了国外的技术限制和原材料供应限制，为我国自主化三代核电“华龙一号”等核电技术顺利出口提供了重要支持，实现了我国核电燃料组件研发的跨越式发展。

“中国作为一个核电大国，必须要有自己的核燃料组件，它是反应堆的核心，我们一定要研制出最好的中国‘芯’，把命运掌握在自己手里。”回首过往，焦拥军不曾忘记初心。而CF3也如他所期待的那样，指标达到了世界先进水平。

只有始终坚持把核心技术掌握在自己手中，才能真正掌握竞争力和发展的主动权。

现如今，更先进的燃料组件正不断优化创新、深入推进。全新的CF4燃料组件已崭露头角，它所使用的新一代锆合金N45，也即将进入新的研发阶段，向全球领先水平进发。

实现我国核电强国梦，CF燃料研发团队奋进正当时。

未来，他们将继续为保障我国核能源安全，为我国先进核燃料技术走在世界前列贡献力量！

来源丨中核集团核动力院