de.wedoany.com-Bericht: Im Bereich der Kernenergie steht „CF“ für „Chinese Fuel“ und kennzeichnet Kernbrennstoffbaugruppen mit vollständig eigenständigen geistigen Eigentumsrechten Chinas. Kernbrennstoffbaugruppen sind die erste Barriere für die Sicherheit. Vor der CF-Serie war China bei Kernbrennstoffbaugruppen lange Zeit auf die Übertragung ausländischer Technologien angewiesen.
„Ohne eigenständig kontrollierbaren Brennstoff kann der ‚Hualong One‘ nicht ins Ausland gehen“, sagte Jiao Yongjun, Chefwissenschaftler der China National Nuclear Corporation (CNNC) und Chefdesigner des CF-Brennstoffs. Angesichts der Schwierigkeiten beharrte die CNNC auf dem Prinzip „Die Industrie stellt die Aufgaben, die Wissenschaft liefert die Antworten“. Sie koordinierte die tief in der Forschung verwurzelte Nuclear Power Institute of China (NPIC), die für die Schlüsselmaterialien kämpfende Xi'an Western New Zirconium Technology Co., Ltd. (Western New Zirconium) und die für die intelligente Fertigung zuständige CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co., Ltd. (CNNC Jianzhong), um eine vollständige, autonome Kette der Kernbrennstoffentwicklung von der Ursprungsinnovation bis zur industriellen Umsetzung und zum gesamten Ökosystemaufbau zu bilden. Derzeit ist die neue CF3-Brennstoffbaugruppe vollständig an das Kernkraftwerk „Hualong One“ angepasst. Mit der großflächigen Anwendung der CF-Serie versorgt der „China-Chip“ kontinuierlich den sicheren und stabilen Betrieb sowie die qualitativ hochwertige Entwicklung der chinesischen Kernenergie.
„Die Industrie stellt die Aufgaben“: Entwicklung des „China-Chips“ für Kernkraftwerke
Ohne Kernbrennstoffbaugruppen ist ein Kernkraftwerk „ein Reaktor ohne Kern“. Jiao Yongjun sagte: „Die Kernbrennstoff-Industriekette ist das wichtigste und kritischste Glied bei der Autonomie der Kernenergie. Um den Sprung von einem großen zu einem starken Kernenergieland zu schaffen und ein internationaler Vorreiter in der Kerntechnologie zu werden, ist der Bereich Kernbrennstoff ein Kernsegment, das mit Nachdruck angegangen und durchbrochen werden muss.“
Tatsächlich begann die Forschung und Entwicklung von Kernbrennstoffen in China nicht spät. Insgesamt gesehen stand die chinesische Kernbrennstoffindustrie jedoch lange Zeit vor einem doppelten Dilemma: Erstens gab es einen „Engpass“ bei den Materialien. Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Brennstoffbaugruppen hängen weitgehend von der Zirkoniumlegierungshülle ab, die lange Zeit importiert werden musste und zum Hauptengpass wurde, der die Entwicklung der chinesischen Kernbrennstoffindustrie behinderte. Zweitens gab es außer dem Kernkraftwerk Qinshan Phase I keine eigenständige Marke für Kernbrennstoffe in China. Als der „Hualong One“ als nationale Visitenkarte für den Export vorbereitet wurde, stand man vor einem realen Problem: Man wollte exportieren, hatte aber keine Kernbrennstoffbaugruppen mit eigenständigen geistigen Eigentumsrechten.
Die Kernbrennstoffindustrie steckte in Schwierigkeiten, und die Autonomie war eine dringend zu lösende Aufgabe. Die CNNC erzielte schnell einen Konsens: Die Forschung, Entwicklung und Produktion von eigenständigen Kernbrennstoffen ist der einzige Weg, um die „Versorgungssicherheit“ der Kernenergie zu gewährleisten.
Die Autonomie bei Kernbrennstoffen kann jedoch nicht durch einen einzelnen Durchbruch erreicht werden. Die gesamte Kette von Forschung, Entwicklung und Produktion umfasst mehrere kritische Glieder, von der Grundlagenforschung, dem Brennstoffproduktdesign und der Materialentwicklung über die Ex-Reaktor-Experimente, In-Reaktor-Experimente und die anschließenden Heißen Zellen-Inspektionen der Brennstoffbaugruppen bis hin zur Entwicklung unterstützender Forschungsmodelle und Software. Diese Glieder müssen gemeinsam „aufgerüstet“ werden, um den Sprung von der technischen Konzeption zur praktischen Anwendung von Kernbrennstoffen zu schaffen.
Ein Reporter erfuhr von der CNNC, dass die CNNC im Jahr 2010 mit starker Unterstützung der zuständigen nationalen Ministerien und Kommissionen ihre Stärken bündelte, die gesamte Industriekette von Forschung und Entwicklung über Materialien bis zur Fertigung durchbrach und die Technologie des NPIC, die Zirkoniumlegierungen von Western New Zirconium und die Montagefähigkeiten von CNNC Jianzhong organisch koordinierte, um gemeinsam den „China-Chip“ zu entwickeln. Dabei übernahm das NPIC das Design, Western New Zirconium stellte die Hochleistungs-Zirkoniumlegierungsrohre her, und die Endmontage erfolgte bei CNNC Jianzhong.
„Der Weg der unabhängigen Innovation bei chinesischen Kernbrennstoffen ist am deutlichsten durch das Prinzip ‚Die Industrie stellt die Aufgaben, die Wissenschaft liefert die Antworten‘ geprägt.“ In den Augen von Jiao Yongjun sind die Anforderungen an die Forschung und Entwicklung von Kernbrennstoffbaugruppen hoch, die Schwierigkeiten groß und der Zyklus lang – ein echtes strategisches Technologie-Hochplateau. „Damals hatten wir keinen Rückzieher, wir konnten nur nach vorne!“
Als technisch verantwortliche und federführende Einheit für die Entwicklung der CF-Kernbrennstoffe übernahm das NPIC, das „stärkste Gehirn“ für die nationale Kernbrennstoff-Forschung und -Entwicklung, die Führung bei der Bewältigung der Herausforderungen. Damals begann ein Forschungsteam von über 500 Personen mit der unabhängigen Innovation, die direkt auf eine Reihe technischer Hürden wie das Design der Brennstoffbaugruppen, die Herstellung von Schlüsselmaterialien und die Validierung von Kernprozessen abzielte.
Die Schwierigkeiten bei der Entwicklung und Herstellung von Zirkoniumlegierungen übertrafen die Vorstellungskraft bei weitem. Zhou Jun, General Manager und stellvertretender Parteisekretär von Western New Zirconium, erklärte, dass die Herstellung von Kernmaterialien nur die Hälfte der Arbeit sei; die eigentliche Prüfung komme in der zweiten Hälfte – ob es im Reaktor stabil funktionieren könne. Zuvor seien viele Materialien hergestellt worden, hätten aber die Validierung im Reaktor nicht bestanden und seien daran gescheitert.
Jiao Yongjun sagte, viele Szenen seien ihm noch lebhaft in Erinnerung. Damals führten sie Experimente in einer einfachen Werkstatt durch, in der es dampfig und stickig heiß war. Alle waren entschlossen, die ausländischen Patentbarrieren und Technologiemonopole zu durchbrechen und die Abhängigkeit von importierten Rohstoffen zu überwinden. Sie hatten nur einen Gedanken: Wir können es schaffen! Solange die Industrie einen Bedarf hat, geben wir unser Bestes. Das ist unser unerschütterlicher Glaube. Diese schwierigen Hürden haben wir mit purer Willenskraft überwunden.
„Die Wissenschaft liefert die Antworten“: Gemeinsame Bewältigung der Herausforderungen in der gesamten Industriekette
Die N36-Zirkoniumlegierung ist das Hüllmaterial, das die CF-Serie von Brennstoffbaugruppen zum „China-Chip“ macht. Am Produktionsstandort von Western New Zirconium in Xi'an sah der Reporter, dass die N36-Zirkoniumlegierungshülle eine exquisite Qualität und eine spiegelglatte Oberfläche aufweist. Aus der Nähe kann man sein Spiegelbild klar erkennen, und die Kanten sind insgesamt gleichmäßig und gratfrei.
„Die Entwicklung von Zirkoniumlegierungen ist der schwierigste Teil der Brennstofftechnologie, und die Synthese von N36 ist noch schwieriger. In der Legierung liegt der Schmelzpunkt von Zirkonium bei über 1800 °C, der von Niob bei fast 2500 °C, aber der von Zinn liegt bei nur 232 °C. Die Elemente mit so unterschiedlichen Schmelzpunkten gleichmäßig zu schmelzen, ist so schwierig wie ‚Teig in einem Feuer zu kneten‘“, erklärte Jiao Yongjun.
Seit die CNNC die wissenschaftliche Forschung zur technischen Herstellung der N36-Zirkoniumlegierung startete, benötigte das NPIC acht Jahre und durchlief sechs Phasen der technologischen Entwicklung, um schließlich die vollständige technische Herstellungstechnologie mit eigenständigen geistigen Eigentumsrechten zu beherrschen. Im Jahr 2017 unterzeichneten Western New Zirconium und das NPIC einen Technologietransfervertrag und begannen mit der industriellen Umsetzung.
Zhou Jun erklärte, dass die Standards für Kernmaterialien weitaus höher seien als für andere Industriematerialien. Bei der Herstellung von N36-Zirkoniummaterial müsse sowohl die Gleichmäßigkeit als auch die Präzision gewährleistet sein, ohne den geringsten Fehler. Allein der Schneideprozess: Die Rohrenden müssen glatt, senkrecht und gratfrei sein – allein dafür habe man drei Monate gebraucht.
Diese Phase der Bewältigung war von großer Mühsal geprägt. Damals gab es in China keine spezielle Produktionslinie für Zirkoniumlegierungen, und einige Prozesse konnten nur unter begrenzten Bedingungen durchgeführt werden. Bei Schlüsseltechnologien diskutierten die technischen Teams noch in derselben Nacht. Im November 2018 war die gemeinsame Bewältigung der Herausforderungen erfolgreich abgeschlossen – die ersten Chargen von N36-Zirkoniumlegierungsrohren wurden ausgeliefert.
Derzeit beträgt der Marktanteil der N36-Zirkoniumlegierung in China 100 %. Sie ist das einzige qualifizierte Material für die Brennstoffbaugruppen von „Hualong One“ und „Linglong One“ und hat die Importabhängigkeit vollständig überwunden. Dieses Material kann einen tieferen Abbrand verkraften, reduziert den Baugruppenverbrauch und ist gleichzeitig korrosionsbeständig, verformungsbeständig und weist ein geringes Bestrahlungswachstum auf, was einen langfristig stabilen Betrieb im Reaktor ermöglicht. Im Vergleich zu internationalen Mitbewerbern verkürzt sich die Produktionszeit auf ein Drittel.
Mit dem Schlüsselmaterial der N36-Zirkoniumlegierung ist die Brennstoffproduktionslinie von CNNC Jianzhong in Yibin, Sichuan, noch geschäftiger: Ein Roboterarm greift die Zirkoniumlegierungshüllrohre, füllt sie geordnet mit Uranoxid-Pellets, und eine Kernbrennstoffbaugruppe nimmt langsam Gestalt an. Die geformte Baugruppe wird sofort zu Prüfgeräten transportiert, wo sie einer umfassenden Präzisionsprüfung unterzogen wird.
„Von den ersten Brennelementen des Kernkraftwerks Qinshan bis zur heutigen CF3-Baugruppe des ‚Hualong One‘ hat dieser Ort die gesamte Entwicklung der chinesischen Kernbrennstoffindustrie von Null auf Eins und von Eins auf Exzellenz miterlebt“, sagte Na Baoguo, stellvertretender General Manager von CNNC Jianzhong. CNNC Jianzhong ist seit 61 Jahren in Yibin, Sichuan, ansässig und ist derzeit die größte Fertigungsbasis für Druckwasserreaktor-Brennelemente in Asien. Es hat insgesamt über 30.000 Kernbrennstoffbaugruppen produziert und ausgeliefert, wobei die Gesamtleistung der CF3-Baugruppe das internationale Spitzenniveau erreicht hat.
Der Reporter erfuhr, dass nach mehr als zehn Jahren konzentrierter Forschung und Entwicklung sowohl bei den Schlüsselmaterialien als auch bei den Fertigungsprozessen ein doppelter Durchbruch erzielt wurde. Die CNNC hat erfolgreich die Brennstoffserien CF2, CF3 usw. entwickelt und hergestellt, ein vollständiges, eigenständiges industrielles Anwendungssystem für Kernbrennstoffe in China aufgebaut, die lokale, autonome Versorgung mit Kernbrennstoffen realisiert und einen eigenen „China-Chip“ geschaffen.
„Der Durchbruch in der Kernbrennstoffindustrie war nie der Kampf einer einzelnen Einheit oder eines einzelnen Teams, sondern das Ergebnis der gemeinsamen Anstrengungen vieler nationaler Forschungsinstitute, Fertigungsunternehmen und Anwendungseinheiten.“ Jiao Yongjun ist der Ansicht, dass die wichtigste Erfahrung für die sprunghafte Entwicklung der CF-Serie von Brennstoffbaugruppen in kurzer Zeit die effiziente Koordination der gesamten Industriekette ist.
Diese koordinierte Zusammenarbeit wurde durch die einheitliche Planung der CNNC und die koordinierte Förderung durch die beteiligten Einheiten vorangetrieben. Von der schrittweisen technologischen Iteration im Labor des NPIC über die Zirkoniumrohre in der Werkstatt von Western New Zirconium bis hin zu den Baugruppen auf der Produktionslinie von CNNC Jianzhong bildete die gesamte Industriekette ein Team mit klarer Verantwortungsteilung, enger Zusammenarbeit und gegenseitiger Unterstützung. Es war dieser koordinierte Mechanismus der gesamten Kette, der die erfolgreiche Entwicklung der CF-Serie von Brennstoffbaugruppen vorantrieb und einen bahnbrechenden Fortschritt in der chinesischen Kernbrennstoff-Industriekette ermöglichte.
Langfristige Vorbereitung: Wahrung der absoluten Sicherheitsgrenze
Derzeit ist das technische Niveau der chinesischen Produkte mit dem internationalen Spitzenniveau vergleichbar, und auch bei der Entwicklung der nächsten Produktgeneration befindet man sich auf derselben Startlinie. Allerdings besteht noch eine Lücke in Bezug auf die Marktgröße und das Anwendungsvolumen der Produkte im Vergleich zu internationalen Mitbewerbern. Daher muss die chinesische Kernbrennstoffindustrie bei gleichzeitiger Beibehaltung der wissenschaftlichen Innovation die Schritte zur Anwendungsförderung beschleunigen.
„Vorsicht, Vorsicht, noch mehr Vorsicht. Sicherheit, Sicherheit, noch mehr Sicherheit.“ Jiao Yongjun betonte wiederholt, dass Kernmaterialien absolute Sicherheit erreichen müssen. Er sagte, obwohl er die schnelle Anwendung der Produkte sehen wolle, dürfe man bei keinem Schritt übereilt handeln; jeder Schritt in der Kernindustrie müsse mit Bedacht erfolgen.
Sicherheit ist die Lebensader der Kernindustrie und auch die Grundlage für die Teilnahme am globalen Wettbewerb. Die CNNC stellt die nukleare Sicherheit an die höchste Priorität, produziert nach den „weltweit höchsten Sicherheitsstandards“ und hat den Unternehmensstandard „CNNC-Verantwortungssystem für nukleare Sicherheit“ veröffentlicht, um die nukleare Sicherheitsverantwortung auf allen Ebenen und in allen Positionen strikt umzusetzen.
Weltweit betrachtet sind die chinesischen Kontrollstandards für nukleare Sicherheit streng, das Normensystem ist umfassend und befindet sich auf Weltklasseniveau. Dies bedeutet auch, dass Kernbrennstoffprodukte bei der industriellen Förderung extrem hohe Anforderungen an Reife, Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit erfüllen müssen. Von der Musterqualifikation bis zur Chargenstabilität, von der Demonstrationsanwendung bis zur großvolumigen Lieferung muss jeder Schritt streng validiert werden, um „absolute Sicherheit“ zu gewährleisten.
Derzeit erlebt die globale Kernenergie einen Aufschwung, und auch die chinesische Kernenergie ist in eine Phase der beschleunigten Entwicklung eingetreten. Nach den nationalen Entwicklungsplänen wird die installierte Kernenergieleistung Chinas bis 2030 bzw. 2035 voraussichtlich 110 GW bzw. über 150 GW erreichen. Gleichzeitig ist China dem „Dreifach-Kernenergie-Deklaration“ beigetreten, die eine Verdreifachung der installierten Kernenergieleistung bis 2050 gegenüber 2020 vorsieht.
Ausgehend von den breiten Marktchancen konzentriert sich die CNNC auf neue Kernkraftwerksgenerationen wie den „Hualong One“ 2.0 und treibt gleichzeitig die iterative Aufrüstung der CF-Brennstoffbaugruppen voran, um die Technologie im Gleichschritt mit den Reaktortypen zu halten. Gleichzeitig werden die in der Kernbrennstofftechnologie angesammelten Kernkompetenzen in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt nutzbar gemacht, um in weiteren Anwendungsszenarien Fuß zu fassen und Werte zu schaffen.
Für die Zukunft wird sich der Wettbewerbskern der chinesischen Kernbrennstofftechnologie auf die beiden Hauptrichtungen „hoher Abbrand“ und „Null-Schäden“ konzentrieren. Jiao Yongjun erklärte, dass man einen höheren Abbrand, bessere Sicherheit und Zuverlässigkeit anstrebe, um „Null-Schäden“ bei Brennstoffbaugruppen zu erreichen und die Kernbrennstofftechnologie kontinuierlich zu verbessern. „Diese ‚Aufgabe‘ werden wir weiterhin lösen!“
Wie können die extrem hohen Leistungsanforderungen der „absoluten Sicherheit“ erfüllt werden? Wie kann die Produktanwendungsförderung beschleunigt und der Markt vergrößert werden? Wie können die Defizite bei wichtigen Testeinrichtungen behoben werden? Dies sind neue Herausforderungen, die während des „15. Fünfjahresplans“ bewältigt werden müssen.
Der Reporter erfuhr von der CNNC, dass sich die CNNC als Nächstes auf die Kernbrennstoffindustrie konzentrieren wird, um die iterative Aufrüstung der CF-Serie von Brennstoffbaugruppen kontinuierlich voranzutreiben, die iterative Optimierung der N36-Zirkoniumlegierung zu vertiefen und eine neue Generation von unfalltoleranten Hüllmaterialien zu entwickeln. Gleichzeitig sollen die Defizite bei wichtigen Testeinrichtungen behoben, die tiefe Integration von Digitalisierung, intelligenter Fertigung und Kernbrennstoff-Forschung und -Entwicklung vorangetrieben sowie eine diversifizierte, vollständige Brennstoffversorgungsfähigkeit aufgebaut werden, damit der „China-Chip“ China auf dem Weg vom großen zum starken Kernenergieland kontinuierlich starke Impulse verleiht.
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