一、从一根锆管到国际突破：核动力院的八年长征

2024年8月27日，上海福宜真空设备有限公司的厂房内，一组泛着冷冽金属光泽的4米长Cr涂层锆合金包壳管整齐排列。随着专家组在验收报告上落下最后一个签名，由中国核动力研究设计院牵头研制的国内首套核电耐事故燃料（ATF）先导组件用Cr涂层锆合金包壳产品正式交付。这一刻，中国成为全球第三个掌握全尺寸Cr涂层包壳管批量生产技术的国家。“这是从‘0’到‘1’的突破，更是从‘1’到‘100’的跨越。”项目技术负责人张瑞谦凝视着验收现场，思绪被拉回八年前——那个以“一个人、一根管”为起点的故事。

2018年，作为技术负责人的张瑞谦接到一项看似“不可能完成”的任务：在一年内完成Cr涂层锆合金包壳辐照样件制备并实现入堆验证。当时，团队才刚刚利用Zr合金板材论证收敛确定选用Cr作为涂层材料，国内还从未有过在米级锆合金管上制备过Cr涂层的经历。“我扛着一米多长的锆合金管，跑遍了大半个中国。”张瑞谦回忆道。从成都到西安，从南通到长沙，从重庆到上海，他带着样管拜访了十余家科研单位和企业。彼时，国内普遍采用“分段镀膜”工艺，但核燃料元件需要的是4米长无缝涂层管，技术难度呈指数级增长。

凌晨四点半的闹钟成了他的生物钟。连续两个月，他每天凌晨惊醒，反复推演涂层均匀性、结合力、高温稳定性等关键技术参数。在与团队核心骨干王昱的反复讨论中，他们有了新的想法：“传统静态沉积必然导致两端厚度差异，如果让锆管在真空腔体内同时自转和公转呢？”这个被称为“动态平衡沉积法”的创新思路，最终在实验室实现突破。同年12月，这根凝聚着心血的Cr涂层管顺利入堆，辐照后拉伸10%涂层无脱落，为技术路线验证撕开了一道曙光。

全尺寸Zr合金包壳Cr涂层沉积装置

二、争分夺秒，特征化组件研制急行军

2019年年底，核动力院与上海福宜真空设备有限公司组建联合团队，向全尺寸Cr涂层制备装备发起攻坚，瞄准2021年特征化组件入堆辐照的节点全力冲刺。2020年年初，团队面临着针对4m长涂层包壳管“无装备、无场地、无工艺”的三重困境，加之突如其来的新冠疫情全国管控，工作推进异常艰难，然而，团队历经3个月的装备设计和3个月的组装调试，团队最终将这台设备妥善安顿下来了。

在上海福宜真空设备有限公司的厂房里，机械工程师正趴在4.6米高的装备真空腔体上，用千分尺测量焊缝精度。“传统拼接工艺会产生200多个漏点，我们得造出国内首台超大型PVD装置无焊缝真空容器。”团队创新发明“厚板整体弯折无焊缝成型技术”，将20毫米厚不锈钢板一次性弯折成直径1.5米的圆柱体。此外，团队还发明了超大立式平秱式前开门结构、耐高温磁流体密封技术，将抽气速度提升至30分钟达10-4Pa，实现了超大腔体10-5Pa级别的高动密封以及安全系数2.5级的高强度。

腔体结构解决后，接下来面临的难题就是决定沉积质量的关键因素：弧源。团队创新发明电磁/永磁复合磁源技术、高频脉冲弧电源及高速引弧技术、双源磁约束弧源结构、自主面水冷却结构、装配间隙稳弧结构和等离子浓度半峰宽弧源布局5大技术，解决了弧源可靠性、批量制备沉积速率低、轴向均匀性控制难、靶材利用率低等问题，实现了超过90%的高离化率、60%的靶材利用率、跑弧/熄弧概率<3%的高可靠性以及轴向厚度偏差<10%的高轴向均匀。

在随后的批量化生产过程中，团队进一步发明抗弯曲装载技术、高频脉冲弧工艺技术、有效抑弧运维保障技术，解决了细长管件装载难、大规模制备涂层沉积速率低、连续批制备不稳定的问题，实现管件零弯曲、规模化高效沉积和高可靠生产，达到30支/炉生产水平。2021年11月，团队制备的Cr涂层包壳特征化组件经过工艺鉴定及产品鉴定的严苛质量审查后，顺利入商用堆辐照。

2022年，这台凝聚着300多项技术创新的设备依托“华龙一号”项目进行装备研制鉴定，于俊崇院士为专家组长。经过现场专家的讨论决议后，最终的专家鉴定意见中留下了这样的描述：“该项目自主研制出国内首台套核电耐事故锆合金Cr涂层包壳制备装备，填补国内相关领域空白，具有完全自主知识产品，达到国际同类装置先进水平”。

三、水下0.1微米的生死时速：池边检查攻坚战

特征化组件入商用堆辐照经历一个循环后的2023年5月，福建福清核电站燃料水池边，一场没有硝烟的战役已经打响。核动力院池边检查团队需要在24小时内，完成国内首次Cr涂层组件水下检测——这不仅是技术首秀，更关乎整个ATF项目的未来发展。

在核电燃料池边检查实施过程中，项目组面临异物风险、辐射风险、吊装风险、临边作业风险以及燃料操作风险。检查组长高三杰穿着30斤重的铅衣，紧盯监控屏幕。传统光学设备在强辐射下会产生70%的雪花噪点。为此，青年党员突击队三天三夜未合眼，开发出“时空域自适应滤波算法”，硬是将图像清晰度提升80%。更棘手的是微米级厚度测量：15—30微米的Cr涂层需与锆基体氧化膜区分检测，误差必须小于0.1微米。团队发明“双频涡流传感器”，利用Cr与Zr氧化膜电导率差异，实现了水下无损精准测量。当第一次循环后的池边检查数据按时提交时，现场爆发了热烈的掌声。

而2025年1月的第二次循环后的池边检查，无论是检测项目还是检测工作量较第一次都大幅增加。特别是池边检查设备在燃料水池下水环境中经过近两年的存放，对于设备使用状态要求极高。第二次池边检查结果对先导组件入堆数据及评价的影响更为直接，这给检测团队及研制团队都带来了极大压力。第二次池边持续工作近2月，检测团队圆满完成了所有检查工作，获得的数据有利地支撑了Cr涂层包壳的后续研发，为项目组团队吃了一颗定心丸。

先导组件源地验收

四、90支管的“生死劫”：量产化突围战

特征化组件的辐照数据推动着先导组件的研发之路。先导组件所需管材数量急剧增加，制备压力陡增。“必须要完成产能扩充并通过稳定运行验证”。面对巨大压力，项目团队讨论后做出了决策。但当设备从“一炉30支”升级至“一炉90支”时，困难开始涌现。

2023年5月20日凌晨4点，一阵刺耳的电话铃声划破夜空——“转架卡死了！”工艺工程师发现自转轴陶瓷轴承碎裂，价值数十万的炉次面临报废。团队核心骨干陈寰现场拆解发现，传统氧化铝陶瓷耐温仅400℃，而实际工况达450℃。紧急更换碳化硅陶瓷轴承后，又设计“动态平衡补偿”结构，通过180个微型电磁铁实时调整夹持力，终于让转架在高温下平稳运转。更大的麻烦在第七炉试验过程中爆发：由于新旧弧源护罩公差仅差0.02毫米，导致等离子体散射，整炉产品表面出现诡异色斑。“两个护罩肉眼几乎无法分辨，就像手术刀差了半根头发丝的精度。”福宜现场团队立即启动变更管理回溯，建立“双人三查”制度，将人为失误率从1%压至0.05%。

为彻底解决长尺寸管材装载构件大批量装载易干扰、大型转架高温运行易卡顿、大型设备批量生产维护保养控制难等问题，团队历经6个月，设计了基于从动齿轮双层结构的行星式二维转架。转架采用承载主轴承外置结构和一体化全金属耐高温自转轴结构。与此同时，团队还建立了一整套细致的批间维护保养规程，终于实现无干扰大装载量（90支/炉 ）、高温零卡顿（450℃）、周向高均匀（ 偏差<3%）等技术能力，为先导组件批量生产提供了强有力的保障。

至2024年8月，团队累计交付2000余支产品，良率达99%，支撑4组先导组件制造。期间形成的15份工艺标准、5项团体标准，构建起Cr涂层包壳制备的“护城河”，为未来批量生产打下坚实的基础。

2024年8月，先导组件Cr涂层包壳管材顺利通过源地验收。这使中国成为全球第三个完成Cr涂层包壳先导组件研制的国家，具有重要里程碑意义。

五、从跟跑到领跑：中国方案的全球突围

如今，核动力院已建成全球领先的Cr涂层包壳产业链，年产能突破万支。这项技术带来的不仅是安全革命——燃料棒燃耗跃升，单台机组年省换料成本显著；更是国际话语权的颠覆：团队发表的43篇论文被美、法、日等国广泛引用，6项团体标准填补国内空白。

2023年11月，中国核工业集团有限公司在北京组织专家召开科技鉴定会，叶奇蓁院士任组长。当天的鉴定会对核动力院承担的“锆合金包壳表面Cr涂层制备工艺与性能评价技术”项目进行了如此评价：“技术难度大，创新性强，具有完全自主知识产权，核心技术自主可控，总体技术达到国际先进水平，其中沉积速率与涂层结合力等国际领先，具有显著的经济/社会效益与推广应用前景。”

2024年，“锆合金表面Cr涂层制备与评价技术”荣获合乐彩票登录科学技术奖科技进步一等奖。

六、结语

八年间，那些凌晨四点半的星光、真空腔体前的汗水、燃料水池边的坚守，早已化作中国核工业人最铿锵的宣言。从一根锆管的孤勇探索，到问鼎国际先进水平；从被技术封锁的困境，到制定全球行业标准——Cr涂层包壳技术的突破，不仅筑牢了核电安全屏障，更让中国在核燃料竞技场上完成了从追随者到引领者的华丽蜕变。这，正是大国重器最深沉的力量。