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中核建中自主创新研制成功GFX-200干法炉纪实

来源:http://www.xgbkjyxgs.com 作者:上海11选5科技 人气:156 发布时间:2020-03-14
摘要:随着我国迎来核电发展新的春天,作为我国最大的压水堆核燃料元件生产基地,中核建中核燃料元件有限公司已逐渐将二氧化铀粉末生产的重点放到干法工艺上。据悉,伴随着年产量

随着我国迎来核电发展新的春天,作为我国最大的压水堆核燃料元件生产基地,中核建中核燃料元件有限公司已逐渐将二氧化铀粉末生产的重点放到干法工艺上。据悉,伴随着年产量200吨金属铀的GFX-200干法炉的研制成功,单台年产量金属铀400吨的干法转化炉的设计研究也即将提上日程。

摘要:6月19日,中核建中核燃料元件有限公司核燃料元件生产线400吨扩建技改工程获得《核燃料元件生产线扩建技改工程投料批准书》。6月3 -->

2012年10月9日,中核建中GFX-200系统取得产品合格性鉴定证书,正式由科研转入生产运行。至此,中核建中在14年的时间里,完成了核燃料生产干法工艺从无到有,再到国产化、跻身世界先进行列的过程。

6月19日,中核建中核燃料元件有限公司核燃料元件生产线400吨扩建技改工程获得《核燃料元件生产线扩建技改工程投料批准书》。6月30日,经过前期认真准备和产品合格性鉴定,中核建中400吨扩建技改工程新生产线全线正式投料生产。

当今世界上,用于生产实践的压水堆燃料化工的转化工艺主要有三种,即ADU工艺、AUC工艺及IDR工艺。中核建中以往采用的是世界上发展最早的湿法工艺——ADU工艺。

至此,中核建中产能实现了由400吨金属铀/年至800吨金属铀/年的升级,跃居世界前列。中核建中——这个有着中国“核电粮仓”美誉的我国最大的压水堆核燃料元件制造基地,在走过近50年的风雨征程之后,再一次扬帆起航,迈入新征程。我国核燃料元件产业升级也将完成,无论是技术还是产能,都实现积跬步至千里的新跨越。

进入21世纪,随着国家核电中长期发展规划的制定实施,核电的快速发展对核燃料的需求与日俱增,核燃料产业链上的重要环节——核燃料元件产能不足的矛盾也逐渐凸显。面对这一现状,中核建中开始改变原有的生产工艺,以适应核燃料需求的不断增长。

未雨绸缪:把握机遇应对挑战

第一跳:从无到有

有数据显示,到“十二五”末期,我国核电产业对核燃料元件的需求将达到1000吨金属铀/年,这样的产业前景,成为照亮中核建中发展前景的曙光。

与湿法工艺相比,IDR工艺也就是综合干法工艺,具有流程短、生产量大、设备结构简单、不产生废液、尾气中的氟化氢气体可以回收利用、环境污染少等优点。为此,中核建中从上世纪末就开始着手从南非引进IDR工艺生产线。

早在“十一五”初,面对国内核燃料市场化进程加快、核燃料产业格局发生变化等情况,中核建中将之后的3~5年作为企业发展的重要战略机遇期。中核建中领导班子认为,发展时机稍纵即逝,这既是机遇也是挑战,公司要在“十一五”到“十二五”期间写下浓墨重彩的一笔。

现为中核建中一车间主任的吴云,就是当年第一批南非工作组的成员。“当时时间很紧张,就短短的40多天。”吴云这样描述前往南非引进IDR生产线时的情景,“我们引进的是整条IDR生产线,都是南非一家厂子的旧设备。在引进的同时就面临设备老化、图纸不全、没有相关的技术转让、运输过程造成二次损坏一系列的问题。而且要在40多天的时间内掌握整条生产线的知识,对我们来说也是很大的挑战。毕竟国内没有可以借鉴的经验,一切都是从头学起。”最终,从南非引进的大型核燃料元件制造设备先后进厂到位,进入调试阶段。

在当时,中核建中规划了一幅宏伟蓝图——“以科学发展观统揽全局,适应国家核电发展要求,以发展核燃料元件为重点,确保国防需要,着力提高支柱民品竞争力和可持续发展能力,加快体制机制和转型步伐,强化技术与管理创新,建立军民结合、技术领先、管理规范、和谐发展的创新型企业,为在2020年建成国际一流的核燃料元件制造基地奠定坚实的基础。”

至此,这条从南非全线引进的工艺生产线,填补了国内核燃料IDR生产的空白,也为中核建中产能的提升奠定了基础。

随后5年,中核建中始终将“不断跨越”的理念贯穿在发展的脉络中,铺就了我国核燃料产业升级、实现跨越式发展的坚实路基。

第二跳:升级国产

“在这个领域,一旦跟不上核电发展的脚步,市场份额就会被国外的企业分占。产能扩大、技术升级、产业链延伸等工作对中核建中来说迫在眉睫。”中核建中总经理丁建波这样阐明过企业发展不进则退的道理。

尽管尝到了干法工艺的甜头,但IDR工艺在国内缺乏技术支持,难以在现有的零部件中找到能用于设备维修的替换产品。随着生产任务的逐渐增加,从南非带回的备用件逐步消耗,IDR工艺国产化已迫在眉睫。

关于核燃料元件生产能力提升的重要意义,丁建波认为:“干好现在、瞄准未来、重点推进能力建设和条件保障建设工程,是公司谋求新一轮核电大发展中走得更快、更好、更稳的重要发展思路。为了适应新一轮的核电大发展,我们将‘1+6’扩建技改工程列在了各项工作之首,作为提升核燃料元件制造能力建设的核心工程。它的实施,将对构建安全可靠、清洁高效、具有核心竞争力的核燃料元件生产运行保障体系起到至关重要的作用。”

为此,2005年7月,中核建中自主研制的DUC工艺生产线进入建设阶段。

“1+6”中的“1”即以产能建设为“龙头”,加速推进400吨扩建技改工程建设,提前实现达产目标;“6”即以“十一五”安改工程建设、核事故应急工程建设、实物保护工程建设、节能减排技术改造工程、基础设施技术改造工程、专项工程建设6项条件保障建设工程为“骨架”,对“龙头”形成有力的支撑和保障,共同承担起中核建中快速提升核燃料元件生产能力的重任。

DUC工艺生产线率先解决的是设备国产化的问题。通过不断摸索,中核建中通过仿制IDR工艺生产线,研制了一条全新的生产线。在一车间,这两台设备同时运转,为核燃料的后续生产提供原料。从外观上看,DUC工艺生产线和IDR工艺生产线几乎一模一样。吴云道出了其中的差别:“IDR工艺生产线的转化能力只有75吨,而我们自主研制的DUC工艺生产线对操作系统进行了改进,将转化炉的金属过滤器装置进行了重新设计,相关的水蒸气、六氟化铀管道的材质和加工工艺都有了改良,在将产能提升到100吨的同时实现了所有设备和零部件的国产化,这样也为今后的技术提升扫清了障碍。”

两次跨越:挺起“脊梁”直面考验

2009年,DUC工艺生产线正式投入生产,核燃料干法生产设备实现了从洋为中用到国产化的道路,我国的核燃料生产水平又向前迈进了一大步。

核燃料元件作为核电站安全运行的第一道屏障,被专家学者比作核事业的“脊梁骨”。进入21世纪以来,核电的快速发展对核燃料的需求与日俱增,而核燃料产业链上的重要一环——核燃料元件的产能与核电站需求的矛盾日益凸显。

第三跳:突破瓶颈

根据国家核电中长期发展规划和调整目标,以及“十一五”至“十二五”期间在建、拟批准建设的核电项目对核燃料的需求量,作为当时全国唯一的压水堆核燃料元件制造企业,中核建中敏锐地意识到,满足国家核电发展的需要成为公司直面的考验。要知道,核燃料供应不能是简单的供需平衡,因为风险太大,稍有闪失就会影响整个核电的发展,必须是“大马拉小车”,一定要做到能力有富余。

2008年起,我国新一轮的核电建设高峰到来。核电作为一个朝阳产业,受到了越来越多的关注。核电企业能否跟得上朝阳的步伐?核燃料组件的供应有没有充足的保障?一个接一个个问题将决定我国未来核电发展的速度。

正是出于这种“适度超前”的思想,中核建中“一手抓当前、一手抓长远”,从2004年开始就开展了生产线评估、扩产调研等前期工作。

中核建中对核电发展的变化有着超前的敏感。在100吨DUC工艺的基础上,公司投入资金,开始自主研制一套年产200吨的干法工艺,GFX-200系统应运而生。

中核建中按照“十一五”规划中提到的“以发展核燃料元件为重点”,明确提出了核燃料元件生产“立足国内、面向世界、滚动发展、满足需求、适度超前、增强竞争”的发展思路,积极跟踪掌握世界先进的核燃料元件制造工艺技术,与国家核电发展对核燃料元件的需求保持同一步伐,确保在2008年底形成400吨金属铀/年的生产能力。

从100吨到200吨,不是简单地把设备放大,而是涉及多个关键设备的改进和技术创新。只有如此,才能够进一步提升生产线的自动化程度、安全性,设备的先进性也将与世界水平接轨。

随着时间的推移,产能考验如期而至。到2006年,核电大发展的态势已经十分明朗,中核建中原有的200吨金属铀/年的产能已经无法满足2008年~2010年核电站对核燃料元件的需求。

为了保障GFX-200工艺研制工程,中核建中除了调拨充足的经费保证项目研究和制造资金的需求,还为干法线配备了一批经验丰富、吃苦耐劳、能打硬仗的专业技术操作团队,培养了一批工程技术人员。他们在干法工艺研究中分析国内外资料,攻克技术难关,先后攻克了大流量喷嘴的研制,高含尘、大流量尾气过滤和大直径过滤管研制等技术难题。

而与此同时,在中核集团公司的领导下,核燃料产业的发展处于全面启动的态势。“必须抓住这个战略发展的机遇,对公司核燃料元件生产线进行扩产改造,而且要快!刻不容缓!”领导班子的果断决策,为我国核燃料产业升级创下建中速度。

此外,从2008年2月接到科研任务开始,中核建中就开始和中国核电工程公司郑州分公司共同设计研发GFX-200系统,并与重庆自动化研究所一起进行自动化控制方面的开发工作。

设计方案、筹措资金……一切都在生产中穿插进行;当扩产项目出现在中核建中2007年的工作报告中后,立项、科研、技改、生产同时推进。在不到两年的时间里,中核建中完成了核燃料扩产技改工程,实现了产能提升的第一次跨越,生产能力由200吨金属铀/年提升至400吨金属铀/年。

在随后的四年间,他们先后完成转炉验收、转炉安装、转炉冷态调试、设备安装、汽化罐单体试车、转化炉单体试车和相应的技术整改。

从2006年11月第3000组核燃料组件下线,到2009年2月第4000组核燃料组件下线,在27个月的时间里,核燃料生产实现了跨越式的发展,此时的中核建中已经成为我国最大的压水堆核燃料元件生产基地。

2012年春节,GFX-200系统的研制进入最后关头,即将进行的联动试车能否成功意味着整个研制工程的成败。为了降低安全风险,公司决定在春节期间进行GFX-200系统联动试验,生产线上的五个班组一次又一次地进行调试、检漏、隐患排查,并通过试验分析会和安全演习,为联动试车做足了准备。

2010年,中核建中与多家核电用户签订了10年期长期供货合同。其中,首炉燃料元件生产居多,一次供货量大。“十二五”中期,公司年度生产量将进一步提升。

3月27日,在生产线控制室内,随着公司总经理丁建波按下控制台上的“进料”按钮,UF6被送入转化炉,开始进行炉内转化。随后,各生产岗位开始进行巡检,对设备的运转进行检查。从转炉的视镜可以看到,物料在炉内流动,料斗有物料进入,现场无UF6和H2泄漏,各设备仪表显示正常。“汽化间正常。”——“管道间正常。”——“转炉间正常。”——“尾气间正常。”——“冷凝间正常。”伴随各岗位将检查结果良好的信息反馈至控制室,中核建中GFX-200系统联动试车成功。

为了适应这些需求,中核建中早在2008年9月启动了《“核燃料元件生产线400吨扩建技改工程”项目建议书》的编报工作;2010年6月,该项目获得国家有关部门立项批复;2011年10月31日获得可研批复;2011年11月底获得建造批复。在公司2012年的年度工作会上,全力推进核燃料元件生产线400吨扩建技改工程、实现产能翻番的目标成为年度工作的重中之重。

9月7日,该系统获得由国家环保部颁发的生产运行许可证; 9月29日,产品合格性鉴定工作圆满结束,产品各项技术指标全部满足要求;10月9日,GFX-200系统取得产品合格性鉴定证书,标志着该系统正式由科研转入生产运行。

又一次的产能提升;又一次的跨越历程;又一次科研、技改、生产同时进行。

至此,中核建中实现了核燃料生产的一次重大突破,具有自主研发知识产权的GFX-200系统实现了将干法炉成功用于核燃料生产。中核建中已掌握了具有国际先进水平的核燃料干法工艺生产线,突破了燃料组件生产能力提升的瓶颈,并为该公司正在积极推进的核燃料元件生产线扩建工程扫清了技术上的障碍,为公司今后核燃料组件均衡、稳定、规模化生产和进一步提高节能减排水平奠定了坚实的基础,也使我国核燃料生产水平跻身世界先进行列。来源:中核网

2013年12月26日, 400吨扩建技改工程第一组身披大红花的贫铀AFA-3G燃料组件完成上管座胀接,在组件翻转平台翻转至垂直状态后,由吊车控制缓缓移动到大家的面前,成功下线。这标志着公司核燃料元件生产线400吨扩建技改工程具备产能。中核建中在国家需要的时候,毅然挺起了中国核事业的“脊梁”!

技术突破:对标国际争创一流

在中核建中实现产业升级新跨越的历程中,始终闪烁着技术创新的火花。

2012年,中核建中研制成功GFX-200干法转化装置,实现了核燃料生产的一次重大突破,具有自主研发知识产权的GFX-200系统实现了将干法炉成功用于核燃料生产,标志着中核建中已掌握了具有国际先进水平的核燃料干法生产工艺。

这一技术突破了燃料组件生产能力提升的瓶颈,完成了干法生产线“从无到有—升级国产—突破瓶颈—自主研发”的四步走,并为核燃料元件生产线扩建工程扫清了技术上的障碍,为中核建中此后核燃料组件均衡、稳定、规模化生产和进一步提高节能减排水平奠定了坚实的基础,也使我国核燃料生产水平跻身世界先进行列。

而作为中核建中“对标国际、争创一流”的重要平台,400吨核燃料元件生产线扩建技改工程芯块、单棒、组件制造一体化生产线的工艺和设备更具有鲜明的特点和优势。

立体分布密闭式粉末制粒、压制系统:实现粉末一次提升

该系统依靠重力从四楼按工艺流程传输至成型压机,采用干法制粒工艺,优化了氧化工序进出料操作,分装设备和容器采用制药行业OEB4级的专用阀门,实现了制粒生产线与压制生产线的柔性连接,并且基本杜绝了粉末的开放式操作,对于提升生产过程中的现场清洁度,降低作业场所气溶胶浓度,具有显著效果。

物料转运系统:芯块生产线实现自动化大跨越

研制出的新型高速自动装舟装置实现了生坯芯块自动装舟;优化压制、烧结和磨削生产线布局,采用生坯、烧结芯块暂存库作为物料和空舟暂存缓冲区,利用AGV物料搬运机器人进行压制、烧结、磨削和废料区的物料自动转运,实现了压、烧、磨生产线之间的自动化柔性连接,极大降低了工人的劳动强度,提高了现场辐射防护水平和物料转运的准确性,实现了物料传输和生产过程的跟踪。该系统的建成和运行是芯块生产线实现自动化的大跨越。

高温动梁式烧结炉和压力电阻焊等新设备、新工艺:基础条件比肩国际先进水平

这些进口设备和新工艺的应用,保证了芯块制备、单棒和组件制造生产线的单线产能达到年产400吨金属铀的能力,是新生产线追赶和比肩国际先进水平的基础条件和重要标志。

骨架制造设备:保证质量

新的生产线升级了骨架双工位焊机,新研制了骨架整体胀接设备和骨架三坐标检查仪,这些新型的制造和检查设备,保证了新生产线的骨架制造能力和产品质量。

立体存放库:自动化、信息化水平升级

根据库存产品技术特性,在保证临界安全和抗震设计的基础上,公司结合成熟的立体存放库技术,定制开发了兼具零部件自动存放功能和智能化管理功能的燃料棒、钆棒、导向管和管座格架零部件的立体存放库,提高了物料存储能力和自动化、信息化水平。

柔性梁吊车系统:高效安全

组件制造各工序及库房之间的组件吊装和转运采用柔性梁起重机技术,根据工艺流程和设备布局,通过带过轨功能的柔性梁起重机、转盘机构、单轨吊系统和电动葫芦的有机组合,完成单棒出、入库,备料和组件制造、清洗、检查和入库的全部吊装作业,解决了原有生产线吊车运行效率低、吊装过程中换手操作多的问题,实现了组件从起吊到入库全过程连续操作,既高效、又安全。车间有人形象地说:以后每个吊葫芦一天只出来打一趟工,全天的活儿就轻松干完了!

通风系统:提高控制水平

借鉴国际标准《核设施—非核反应堆核装置的通排风系统设计与运行标准》(ISO 17873)和《安全壳密封—第2部分: 泄漏密封定级分类及其相关检验方法》(ISO 10648-2),根据生产现场工艺布局进行了分区规划和通风系统设计,采用了先进的变风量阀调节技术,不同分区间人流和物流接口设置气闸或动态密封,外部物流入口设置过渡间,提高工艺设备密封性,关键部位采用高等级密闭门,采用DCS系统进行通风系统监控运行等手段,提高了通风系统对现场辐射防护的控制水平。

这些先进设备、工艺和系统的应用,为400吨扩建技改工程芯块、单棒、组件制造一体化生产线“对标国际、争创一流”提供了坚实的技术支持和物理保障,成为我国核燃料元件产业升级,实现跨越式大发展不可或缺的重要一环。

从工程设计初衷和建造实践看,芯块、单棒、组件制造一体化生产线主要关键设备从国外进口,国产设备的研制也借鉴了国外的成功经验,装备的先进性和可靠性得到了有效保证,同时生产线的自动化水平较现有生产线有了大幅提升,基本实现了芯块、单棒、组件组装的全自动化生产,开启了我国核燃料元件制造产业的新纪元。

展望未来:矢志上游再攀高峰

在20年的时间内,中核建中由年产金属铀75吨发展到800吨,具备了300WM、AFA-2G、AFA-3G、全M5AFA-3G、VVER-1000、TVS-2M等6种压水堆燃料元件的制造能力,满足了我国正在运行和在建的压水堆核电站核燃料元件的需求。

盘点过去,自1986年自主建成我国第一条压水堆核燃料元件生产线,中核建中通过引进、吸收、再创新把企业推向一个又一个高峰。特别是成功制造田湾核电站燃料组件,标志着中核建中掌握了世界上主要类型的压水堆核燃料组件制造技术,产量、质量均达到国际先进水平。

现在,中核建中已为大亚湾、岭澳、岭东、秦山一期、秦山二期、田湾、方家山、福清、宁德、红沿河、阳江等核电站提供了近9000组高质量的核燃料组件,运行情况良好,200余万支燃料棒无一因质量原因破损。与美国、法国、俄罗斯等国家的压水堆燃料元件生产厂家相比,公司质量记录良好,为核电站的安全、稳定运行、实现良好的经济效益做出了贡献。

未来,伴随着中国核能产业的快速发展和世界核能行业的持续进步,中核建中将在中国核工业集团公司、中国核燃料有限公司的带领下,坚持“以确保安全为前提、以强化质量为生命、以改革创新为动力、以成本管控为中心”的工作方针,积极融入国际市场,致力打造具有核心竞争力的国际一流核燃料元件供应商,努力建成管理科学、装备先进、产品多样、制造柔性、技术领先、质量优良的世界一流核燃料元件制造基地,让我国的核燃料元件制造产业再上新台阶!

中核建中,将携手核电用户共同致力于世界核能事业的发展,让中国核事业的“脊梁”日益坚挺!

 

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