“煉丹修道瀝肝膽，應時而出驚世聞。”這是中國首次核試驗現場總指揮張愛萍將軍作于1964年我國首次原子彈全尺寸爆轟模擬試驗成功之際的詩句，也是清華大學核研院先進核燃料技術團隊負責人唐亞平對團隊近半個世紀艱難攻關歷程的形象比喻。
最近，將近150萬個“燃料球”在中核北方核燃料元件有限公司生產完畢，將在全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站——華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站陸續投入使用。這些網球大小、通體黢黑的“燃料球”，是能量巨大的球形核燃料元件，也是保證高溫氣冷堆“固有安全性”的核心技術之一。
球形核燃料元件制造技術是“買不來、要不來、討不來”的世界領先的清華技術。從“跟跑”到“領跑”，從學習發達國家思路到自主實現技術突破，再到工業示范、全面實現工程化，實現向先進生產力的轉化，清華大學核研院先進核燃料技術團隊開拓進取、百折不撓，在堪比“煉丹”的艱辛過程中“充分體現了一種精神，可以叫做‘球形燃料元件精神’：自主創新、敢為人先、產研融合、精益求精。”唐亞平總結道。
堅不可摧的“燃料球”：高溫氣冷堆的安全密碼
在山東榮成，采用清華技術的球床模塊式高溫氣冷堆核電站——華能山東石島灣高溫氣冷堆示范電站，至今已經安全運行一年多的時間。
作為全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站，它被稱為“不會熔毀的核反應堆”，全因其具備的“固有安全性”：即使遇到最極端的情況，一切操作系統都失靈，不依靠任何人為干預，它仍然可以保持安全狀態，避免放射性物質泄漏到外界。保障其“固有安全性”的第一道防線，就是由核研院先進核燃料技術團隊研發成功并實現規模化制造的球形核燃料元件，也就是業內俗稱的“燃料球”。
高溫堆安全性第一道屏障——燃料球作用示意圖。
唐亞平用三句話總結球形燃料元件的特點：一是“球小能量大”。一個直徑僅6厘米、重200克的燃料球，里邊裝了7克鈾的核燃料，可以釋放的能量卻相當于燃燒標煤超過1.6噸的能量。二是“換料不停堆”。在燃料球的連續流動中，反應堆就完成了核燃料換料，既改善反應堆經濟性，又有利于反應性控制、增強反應堆安全性。第三點特別重要——“耐高溫、強包容”。核裂變釋放的能量散發出來被轉化利用，產生的放射性廢物卻被完全包容在燃料元件里，為高溫氣冷堆實現固有安全奠定了最關鍵的基礎。
二十余年磨一劍：實驗室里的自主創新之路
“要想建造高溫氣冷堆，就必須得造出燃料球！”唐亞平說。燃料球看似簡單，但要真正造出來、用得上，卻耗費了核研院先進核燃料技術團隊幾代人的心血。
早在上世紀七十年代，核研院就開始了球形核燃料元件的基礎研究。彼時，我國在高溫氣冷堆核燃料領域的研究落后于德國、美國等發達國家。核研院先進核燃料技術團隊查資料、做實驗、編教材、培養人……從零開始，艱難推進。團隊深知，只能靠自己、要自主創新。
以燃料球制造第一道主工藝——二氧化鈾核芯制造為例，溶膠凝膠工藝制備核芯顆粒涉及溶解、配膠、分散、熱處理等十幾步工序，既要實現膠液的穩定，又要解決從連續膠體到分散顆粒的快速成型技術，還要保證大量的核芯顆粒無破損、一般大、一樣圓。技術團隊歷經千百次實驗、反復調整方案，終于構建了溶膠凝膠工藝技術體系，實現了二氧化鈾核芯顆粒的各項性能合格、一致、穩定。
燃料球制造第二道主工藝包覆顆粒的研發也困難重重。TRISO型包覆顆粒四層完整、完美的包覆層是在反應堆內高溫、高壓、高輻照條件下阻擋裂變產物釋放的關鍵屏障。技術團隊歷經嚴密設計、精密測控、耐心求證，終于讓每一爐數百萬個顆粒都穿上了這四層微米級的“衣服”，實現了破損率低于萬分之三的目標，突破了球形燃料元件制造的一大難關。
清華大學先進核燃料技術團隊在實驗室討論研究方案。
二十世紀八十年代“國家高技術研究發展計劃”（簡稱“863計劃”）實施，在“863計劃”能源領域重點項目的支持下，核研院的技術團隊迎來了快速進步與技術突破豐收期：在實驗室打通了燃料球制造的完整技術路線，研發建成了一條小規模實驗生產線，并成功完成了“10兆瓦高溫氣冷實驗堆”核燃料元件制造供應任務。“10兆瓦高溫氣冷實驗堆”項目獲評國家科技進步一等獎，高溫氣冷堆在2006年被列為16個國家科技重大專項之一。
把論文寫在祖國大地上：實現“燃料球”規模化生產
隨著“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”國家科技重大專項的實施，球形核燃料元件的研發又迎來了新的挑戰：要建設球形核燃料元件示范生產線，實現規模化制造、形成我國核工業的新能力。
規模化制造要求大幅度放大產能，每天要制造巨量的二氧化鈾核芯顆粒、包覆顆粒，又要求每一個顆粒、每一層包裹都高度一致、完美無瑕，要求幾近苛刻。“高校老師都有做科研的基礎，但是真正需要工程化落地的時候才發現挑戰是巨大的。”核研院新材料研究室主任劉兵說。先進核燃料技術團隊迎難而上，走出實驗室、接受工程化的風雨洗禮。2013年3月16日，球形核燃料元件示范生產線在內蒙古包頭市的中核北方核燃料元件有限公司開工建設。
在技術創新的同時，團隊也勇敢開拓高科技創新成果轉化新機制：與核工業、制造業等產業界多家優勢單位分工協作、聯合攻關；與工程技術一線同志并肩作戰，扎扎實實解決工程化過程中的一系列問題。為了一種關鍵材料——天然石墨粉的供應，技術團隊全國范圍找礦源、石墨廠家，深入石墨廠家共同實驗、分析，與生產線建設方爭論、講解……還要為了解決混捏、研磨、均混等問題反復研討、實驗。
制造過程中的性能檢測也是一大難題。工藝技術的研發、改進離不開性能檢測的支持。燃料元件理化性能分析組二十余年不斷研發分析方法，研制專用分析儀器，不斷提高分析精度、效率和自動化程度，針對巨量樣品設計可靠的取樣技術、取樣方案，為燃料元件制備技術研發和示范生產線建設成功提供了及時、有力的支持。
清華團隊還虛心向工程科技人員學習，運用企業先進的質量保證文化和技術，建立起全新的質量保證體系，大幅度提高制造的可靠性、可追溯性，保證了燃料球制造真正形成了工程化生產能力。
球形核燃料元件制造裝備發展階段。
終于，歷經十多年的協同合作，團隊實現了幾十項性能指標全部合格的目標，建成了世界首條工業規模的球形核燃料元件生產線，及時為高溫氣冷堆示范電站送上了合格的核燃料。
打造新質生產力：為綠水青山貢獻清華硬核力量
高溫氣冷堆提供的高溫工藝熱具有多用途綜合應用的獨特優勢，為石化、冶金、交通、數據等行業的低碳轉型，為我國“雙碳”戰略實施、核電“走出去”、綠色可持續發展和人民生命健康貢獻完全自主可控的新質生產力。
2023年5月16日，球形核燃料元件商業生產線在中核北方開工建設，目前已進入全面調試階段。核研院先進核燃料技術團隊繼續發揮技術指導、技術支持的關鍵作用，一條全球技術水平最高、規模最大的球形燃料元件生產線將出現在中國，未來將為高溫氣冷堆商業推廣和新興產業鏈提供源源不斷的“糧食”。
清華大學先進核燃料技術團隊。
展望未來，核研院先進核燃料技術團隊已經擁有球形核燃料元件完整知識、技術體系，豐富的工程化經驗，更擁有產學研融合發展的體制機制，又匯聚了一批新生代的科研人員、青年教師。“前輩們完成了從‘0’到‘1’的原理突破和壯舉，我們還要不斷完成從‘1’到‘10’、到‘100’的技術優化和工程技術創新。”新材料研究室黨支部書記、副主任劉馬林說。
