科创中国

核电站运行过程中不可避免产生核废料，通过乏燃料水池暂存，乏池是以不 锈钢材料为主的大型金属结构，其制造和安装过程大量采用焊接技术。这些焊缝在核电站整个运行周期中始终处于带水和高辐射环境中，容易发生局部腐蚀、损伤和破坏，从而造成乏燃料水池泄漏。乏燃料水池泄漏不但对核电站的运行造成安全隐患，还会引发环境污染，因此必须对乏燃料水池泄露进行及时维修。目前大多数新型核电机组仅配备一个乏燃料水池，一旦发生泄漏只能进行水下在线维修。乏燃料水池的在线维修具有维修难度大、质量要求高、技术门槛高等特点。如何对乏燃料水池进行安全可靠的水下在线维修、实现维修过程的全面自动化、保证乏燃料水池及乏燃料的安全，是目前国内外研究的热点。局部干法水下激光焊接具有设备灵活、焊接可达性出色、成形质量高等优点，适用于核电站水下构件维修需求，正在成为当下的研究热点。

基于乏燃料水池在线修复的需求，开发了水下激光焊接工程样机，其技术方案包括 4 个方面：即高精度水下移动定位系统集成制造技术、水下激光焊接-视 觉-送丝一体化设备集成技术、局部区域动态密封排水技术和高质量局部干法水下激光焊接工艺。水下移动定位系统是水下运动的执行基础，采用水密电机驱动，带动水下密封体进行焊接移动。在满足 XYZ三轴运动要求的基础上，在 XYZ 平台前端设置旋转运动模块，可驱动水下激光头的姿态旋转，满足不同位姿的焊接修复要求，并可以通过调整角度规避激光焊接时的高反问题。采用的框架式系统，结构稳定，定位精确，运动定位精度误差＜0.1mm，单次连续焊接长度可达350mm。

该项目已经形成了一套复杂环境水下结构物在线修复技术与装备体系，实现了海底管道高压焊接和海底钢结构非弧焊湿焊的中国造，研究水深可达 1500m，相关的研究成果已经成功应用于国内多个水下（高压环境）设施的应急维修当中，打破了国外技术垄断，填补了国内相关技术领域的研究空白，相关技术成果已经创造直接经济效益超2亿元，并具有巨大的间接经济效益和社会效益，潜在应用领域广阔。局部干法焊接可应用于海上核电站乏燃料池覆板和舰船等较浅水深结构的修复；湿式焊接通过水下摩擦焊接系统，主要应用于海底管道的维修。

项目团队由北京石油化工学院、上海核工程研究设计院有限公司、天津大学、中国人民解放军陆军装甲兵学院等单位的多名研究人员组成，发表论文114篇，出 版水下维修论著2本， 在编2本。已授权国 家专利67件，其中 发明专利24件。相 关工作被中华人民 共和国中央人民政 府官网、科技日报 等各级媒体多次报道。

本项目所研究的水下焊接与常规焊接即在大气环境中进行的焊接相比，是具有重大基本差别的特殊焊接。“局部干法水下激光焊接”在试验样机、修复材料和焊接工艺3个方面极大地缩短了与国外先进水平的差距，而且形成了一些符合中国国情、特色鲜明的创新成果，建造了国内第一个高压水下激光焊接实验舱，为该领域的研究打下了坚实的基础。仅依托国家能源局项目，合作单位上海核工院已获全国能源化学地质系统优秀职工技术创新一等奖和国家电投集团第二届集团公司职工创新大赛一等奖各1项，研究成果和产品获得了工程应用方的认可。本项目研究形成的“核电厂堆内构件局部干法水下焊接技术”科技成果，具有完全自主知识产权，打破了国外工程公司对我国的技术壁垒和价格垄断，极大地促进了核电站堆内构件维修技术的进步，也为海上浮动核电站维修提供技术蓝图。且本研究极大地促进了核电站堆内构件水下维修技术的进步。

本系列研究形成的“核电厂堆内构件局部干法水下焊接技术”科技成果，具有完全自主知识产权，打破了国外工程公司对我国的技术壁垒和价格垄断，极大地促进了核电站堆内构件维修技术的进步，也为海上浮动核电站维修提供技术蓝图。

随着传统能源紧缺的现状日益严峻，与该项目的相关的核能作为一种高能量密度的新型能源在近年得到了长足发展。截至2017年底，全球共有30个国家使用核能发电，在运行核电机组总计445台，总净装机容量约为389.8GWe，占全球发电总量的11.2%。我国目前投入商业运行的核电机组共37台，装机容量达到25807.16MWe，占全国发电总量的9.0%，并且以每年开工建设5-6台百万千瓦级核电站的速度发展。局部干法水下激光焊接具有设备灵活、焊接可达性出色、成形质量高等优点，适用于核电站水下构件维修需求，正在成为当下的研究热点，也是成果所转化的方向。