川观新闻记者 宁宁

近日，由中国核动力研究设计院（以下简称核动力院）、中国原子能工业有限公司等单位共同完成的“先进核能高性能N36锆合金研制及产业化应用”项目荣获2025年度四川省科学技术奖科学技术进步奖一等奖。什么是N36锆合金，为何研制，有何用途？记者采访了项目团队。

N36锆合金包壳管。核动力院供图

核燃料“外衣”曾长期依赖进口

核反应堆的“燃料”，在工程上并非散装粉末或单根棒，而是以燃料组件的形式，整体入堆工作。而一个17×17排列的方形燃料组件中，有264支燃料棒。

燃料棒并非“赤身裸体”，而是披着一层“外衣”，即包壳，形式上是由锆合金制成的管。管子很细，直径仅9.5毫米、管壁仅0.57毫米、长度却接近4米。

“外衣”虽细薄，但能力很大——由于特殊而苛刻的运行环境，它必须具备耐辐照、耐高温、耐腐蚀等综合性能，扛住高流速冷却剂的冲刷，牢牢地将放射性物质包裹在里面，不允许泄漏，构成了核电站安全的第一道屏障。但正因为研制复杂、要求极高，这一技术此前一直被法国、俄罗斯、美国等少数国家所垄断，国内核电站燃料组件用锆合金材料长期依赖进口。

这层“外衣”又是核反应堆的“日常必需品”，一个反应堆“177堆芯”需要近5万支这样的管子，每隔一段时间还需要更换。

因此，研制出自主知识产权的包壳管，不仅能填补国内核电技术空白，不再受制于人，还将产生巨大的经济效益。

世界锆合金家族首个中国品牌

破局始于1986年。当时，中国核动力研究设计院周邦新、赵文金团队从锆合金基础研究起步，1991年正式启动新型锆合金研发。

当时，法国、美国等已申请了不少材料研发方面的技术专利，自主研发锆合金材料，无异于在夹缝中找出一条新路。

从零出发，团队从最基础的成分设计优选开始，从100多种候选合金中筛选配方，光是确定合金成分，团队就用了五年。

成分确定后，在项目总工程师赵文金的带领下，团队向工艺大难题攻坚。

首先是熔炼工艺。锆的熔点超过1800℃，铌的熔点接近2500℃，而锡的熔点却仅有232℃，要将这些熔点悬殊的元素熔铸得均匀如一，其难度堪比“在烈火中揉面”。迎难而上，团队从几十克重的纽扣锭熔炼起步，逐步突破公斤级铸锭熔炼技术难点。

管材加工环节同样不容闪失，管壁哪怕出现微米级裂纹，都可能酿成重大隐患。尽管没有现成设备、可借鉴工艺，团队没有气馁，反复开展工艺和性能研究实验，不断优化。经过一系列实验攻关后，1998年N36研制成功，打破国外垄断，N36品牌也随之诞生，成为世界锆合金家族中第一个中国品牌。

团队介绍，N36锆合金的核心优势体现在两方面：一是能承受更深的燃耗，且满足燃料组件18个月换料要求，大幅提升了核电经济性；二是安全性能优异，具有更优的耐腐蚀性能、良好的抗变形能力和低辐照生长性，能够在堆内长期稳定运行，保障燃料组件的结构完整性。

2001年，赵文金带领团队完成长达9年的堆外性能实验，获得了物理、腐蚀、力学等全面性能数据，为国家立项打下基础。2010年，国家启动重大科技专项，新型锆合金研发项目位列其中。同年，中核集团启动“压水堆燃料元件设计制造技术”重点科技专项，明确以N36锆合金为CF3燃料组件的突破口。

项目团队历时40年攻坚。核动力院供图

占据国内市场主导

实验室锆合金研究技术日趋成熟，但要实现将实验室里的“样品”，转化为核电站里批量服役的“产品”，绝不仅仅是简单的工艺规模放大。

一切似乎又回到了开头。当时，国内没有专业化锆合金生产线，有人建议按国外的工艺路线走，但项目总工程师赵文金不同意，认为只有自己的东西才不受制于人，坚持要走出我们自己的路线。

面对重重挑战，团队开始积极探索。他们联系国内其他合金生产企业，确立专业攻关小组。为了匹配合适的生产设备，不厌其烦地与厂家协调沟通，最大程度地优化生产工艺，现场技术人员和工人一起实行倒班制度，只为争分夺秒赶进度节点。2011年12月，赵文金带领团队成功研制出N36特征化组件用N36管棒材并通过专家组验收。

N36特征化组件可以被看作专为验证材料而生的“试验品”。团队认为，只有在反应堆外完成各项性能后，确认是优异的合金，才能在反应堆内进行辐照考验，从而证明其具有可应用性。

很快，2012年6月迎来重大节点，首批N36特征化燃料组件进入秦山核电站进行辐照考验。经过5年4个循环的堆内严酷环境的考验后，材料性能得到证明，满足设计要求，具备了批量化应用的条件。

产业化进程随即加快。2017年10月，核动力院与西部新锆签订技术转让合同，在前者的指导下开启了产业化征程。2018年11月，成功完成了20盒CF3燃料组件用N36锆合金的首批管棒材交付，实现从技术定型到产业化跨越仅用时13个月，为国际同行同类产品的三分之一。

继N36特征化燃料组件后，采用N36锆合金的CF3先导燃料组件、扩大规模CF3先导燃料组件先后装入商用堆进行了历时12年的辐照考验，结果充分证明了N36锆合金满足高燃耗长燃料循环的设计要求，总体到达国际同类合金技术先进水平，抗辐照生长和辐照蠕变等核心性能指标国际领先。

如今，N36锆合金已成为“华龙一号”“玲龙一号”CF3燃料组件的唯一合格包壳材料，实现了在秦山核电和巴基斯坦K-2/K-3核电机组的规模化应用。不仅成功解决了原材料供应依赖进口的核心短板，还为华龙一号“走出去”和国内核电安全发展提供了坚实保障。

40年如白驹过隙，从依赖进口到100%自主可控，这支团队为核燃料穿上了“中国外衣”。

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