歷時12年科研攻關(guān)，“國和一號”示范工程——
在“國和一號”示范工程某大型模塊吊裝現(xiàn)場，工人乘坐升降機(jī)檢查吊具。國家電力投資集團(tuán)有限公司供圖
2020年9月28日，我國三代核電自主化標(biāo)志性成果——“國和一號”正式發(fā)布。這也意味著我國從本世紀(jì)初開始實施的三代核電自主化戰(zhàn)略取得重大突破。
目前，“國和一號”示范工程按計劃穩(wěn)步推進(jìn)，首期工程就可實現(xiàn)熱電聯(lián)供，將為清潔低碳、美麗中國與能源轉(zhuǎn)型作出更大貢獻(xiàn)。
“國和一號”是我國在引進(jìn)消化吸收三代非能動壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站國家科技重大專項開發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型先進(jìn)壓水堆核電型號。機(jī)組設(shè)計壽命60年以上，安全水平相比二代核電機(jī)組提高了100倍;單臺機(jī)組年發(fā)電量大約120億千瓦時，可滿足超過2200萬居民的用電需求，每年可減少溫室氣體排放超過900萬噸。
三代核電技術(shù)安全性高，經(jīng)濟(jì)性好，可建造性強(qiáng)，運維方便，是名副其實的“國之重器”
“國和一號”研發(fā)工作自2008年正式啟動，歷時12年完成。國家電力投資集團(tuán)有限公司作為牽頭單位，組織全國600多家單位、31000余名技術(shù)人員參與，累計形成知識產(chǎn)權(quán)成果超7611項，建成了具有國際先進(jìn)水平的三代核電自主創(chuàng)新體系和產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系，標(biāo)志著我國核電技術(shù)實現(xiàn)了從“二代”到“三代”的跨越，具備先進(jìn)核電自主化、批量化、規(guī)?；ㄔO(shè)能力。
國家電力投資集團(tuán)有限公司核能總工程師鄭明光，是大型先進(jìn)壓水堆核電站國家科技重大專項總設(shè)計師。他對“重、大”二字的理解非常直觀：“‘國和一號’單臺機(jī)組中，超過100噸的設(shè)備、模塊有30件左右，最大的模塊體積有5000多立方米，重達(dá)1400多噸”“安全殼是個直徑40多米，高70多米的‘大膠囊’，用5厘米厚左右的鋼板制成，每平方米可承受40噸以上的壓力”“蒸汽發(fā)生器里面有1萬多根用于熱交換的U型管，總長超過300公里……”
“國和一號”成功打破了多項材料及設(shè)備制造技術(shù)壟斷，主泵、爆破閥、壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件等關(guān)鍵設(shè)備材料全部實現(xiàn)自主化設(shè)計和國產(chǎn)化制造。鄭明光對“自主創(chuàng)新”四字深有體會：“站在世界核電技術(shù)發(fā)展高端，‘國和一號’填補(bǔ)了我國核電產(chǎn)業(yè)的多項技術(shù)和工藝空白，推動了核電行業(yè)和技術(shù)整體升級換代，是名副其實的‘國之重器’。”
從1970年開展“七二八工程”開始，我國核電已經(jīng)走過了50多年的奮進(jìn)創(chuàng)新之路。
“第一代核電技術(shù)主要是以實驗研究堆為主。第二代核電技術(shù)主要發(fā)展階段是上世紀(jì)60年代初到1979年以前，該階段技術(shù)建成的核電稱為二代，之后將滿足三里島核電事故后對策與響應(yīng)措施的核電站稱為二代加核電。”鄭明光說，“美國三里島核事故發(fā)生后，全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識進(jìn)一步提升，先進(jìn)核電國家針對核電設(shè)計、運行安全等方面進(jìn)行了充分認(rèn)識與分析評估，提出了一系列改進(jìn)、增強(qiáng)安全性的措施，三代核電技術(shù)應(yīng)運而生。”
鄭明光介紹，作為三代核電型號的“國和一號”，關(guān)鍵核安全設(shè)計理念是“非能動”，例如安全殼冷卻系統(tǒng)就采用這一理念，不依賴外在動力源即可運行工作。“利用鋼制殼體作為傳熱表面，事故條件下安全殼內(nèi)的蒸汽就會在安全殼內(nèi)表面冷凝，然后通過導(dǎo)熱將熱量傳遞到鋼制殼體外的水膜或大氣，安全殼內(nèi)外部冷卻都是一個自然循環(huán)。”
“通過把安全系統(tǒng)的水放在高位，一旦發(fā)生事故，水會在重力的作用下流到反應(yīng)堆堆芯或安全殼表面，自動冷卻堆芯，同時對安全殼殼體實施外部噴淋形成冷卻水膜，降低安全殼內(nèi)的壓力和溫度，保證安全殼這道安全屏障不受損壞。”鄭明光說。
“國和一號”是全面、系統(tǒng)、完整落實非能動設(shè)計理念的核電型號，實現(xiàn)了系統(tǒng)、設(shè)備的大幅簡化。鄭明光介紹，這個“簡化”卻不像原理看上去那么簡單，需要大量的理論分析和系統(tǒng)性的試驗驗證。它的安全設(shè)備與相應(yīng)的備品備件大大減少，安全性反而有了大幅度增強(qiáng)。工廠化預(yù)制、模塊化建造縮短了建設(shè)工期，運維的方便性更優(yōu)化了經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足我國經(jīng)濟(jì)社會安全高效的發(fā)展需求。
三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊步履不停，填補(bǔ)了一項又一項空白，推動我國核電實現(xiàn)跨越式發(fā)展
如何保證三代核電在高安全性基礎(chǔ)上擁有更強(qiáng)的競爭力?怎樣研制出具有競爭力的核電機(jī)型，實現(xiàn)批量化建設(shè)?在鄭明光看來，這些都必須通過自主化國產(chǎn)化來解決。
帶著這些挑戰(zhàn)，中國核電人正式踏上了三代核電自主化國產(chǎn)化的創(chuàng)新之路。
首先擺在面前的，就是一個看似難以逾越的障礙——根據(jù)外方的合作協(xié)議，只有電功率超過135萬千瓦，我國才能擁有三代非能動核電的自主知識產(chǎn)權(quán)。為此，以鄭明光為代表的三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊，在原定技術(shù)方案基礎(chǔ)上對“國和一號”頂層設(shè)計方案進(jìn)行了全局性再創(chuàng)新，包括增加鋼制安全殼的直徑和厚度以擴(kuò)大核島空間，重新設(shè)計研制反應(yīng)堆冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器、爆破閥和汽輪發(fā)電機(jī)，大幅度優(yōu)化主泵流量、主管道流通截面等，實現(xiàn)型號總體安全性、經(jīng)濟(jì)性和效率的全面提升。
“135萬千瓦，對非能動安全、主要設(shè)備來說是個‘大門檻’。”鄭明光說，“為了確保擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，我們果斷調(diào)整了方案。這不是簡單的等比例放大，要真正懂設(shè)計、懂技術(shù)，具備自主研制、自主試驗的能力，不掌握核心技術(shù)，這個‘大門檻’就過不去。”
要想提升核電型號功率，從材料研發(fā)到零部件生產(chǎn)再到設(shè)備安裝調(diào)試，幾乎都要重新論證、分析、評估與研制。
一回路冷卻劑管道，簡稱“主管道”，是連通核電站壓力容器、蒸發(fā)器等主要設(shè)備的大型管道，好比人體的“大動脈”。為了更加安全可靠，“國和一號”主管道設(shè)計為沒有焊縫的一體化鍛件。主管道熱加工后，還需要進(jìn)行彎管，任何一個控制不當(dāng)都會導(dǎo)致失敗，只能靠試驗不斷摸索、改進(jìn)。2年多的時間里，多家參研單位協(xié)同攻關(guān)，試驗主管道毛坯從8噸、20噸、36噸，最后升格為70噸，最終，中國鍛造的“大動脈”研制成功。
反應(yīng)堆冷卻劑泵，簡稱“主泵”，承擔(dān)著為核島運轉(zhuǎn)提供動力的重任，可以看作核電站正常功率運行時的“心臟”。全新的制造工藝和運行流程，對制造業(yè)來說是一項巨大挑戰(zhàn)。為消除全廠斷電時冷卻劑泄漏概率，決定采用無軸封新型主泵，型號研發(fā)伊始就采用“雙線并行”的模式，一面推進(jìn)屏蔽電機(jī)主泵研發(fā)，另一面啟動濕繞組主泵技術(shù)方案。十年磨一劍，濕繞組主泵和屏蔽電機(jī)主泵相繼研發(fā)成功，有效支撐了核電先進(jìn)型號的落地。
從核電“大動脈”到“心臟”，從“大腦”核設(shè)計與安全分析軟件，到“中樞系統(tǒng)”核電儀控，再到一次儀表等遍布核島各處的“血管”“神經(jīng)”……從設(shè)計方案到產(chǎn)品研發(fā)，三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊步履不停，填補(bǔ)了一項又一項空白，啃下了一塊又一塊“硬骨頭”，在關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”的地方下功夫，推動我國核電實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
“國和一號”研制成功，離不開行之有效的重大科技項目組織管理方式
“國和一號”研制成功，離不開行之有效的國家重大科技項目組織管理方式：反應(yīng)堆壓力容器由上海核工院和中國一重共同研發(fā);蒸汽發(fā)生器由上海核工院、東方電氣(廣州)重型機(jī)器有限公司和上海電氣核電設(shè)備有限公司等共同研制;主泵研發(fā)“雙線并行”，參研單位分工明確;主管道制造難度大，機(jī)械行業(yè)骨干企業(yè)組建聯(lián)合體，集智攻關(guān);U型管管材、核級鋯材、核級焊材、大鍛件制造等材料工藝難題，采用產(chǎn)學(xué)研協(xié)同推進(jìn)的辦法，終于成功解決……
“利用國家科技重大專項，每一種設(shè)備、材料的技術(shù)開發(fā)，都布局2至5家有競爭力與積極性的單位參與研制，我們從設(shè)計技術(shù)到制造技術(shù)與工藝來回多次迭代，引入競爭機(jī)制，用市場化的手段來推動相應(yīng)的技術(shù)競爭，激發(fā)創(chuàng)新活力。”鄭明光介紹，“國和一號”聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)大學(xué)、科研院所、企業(yè)等一大批產(chǎn)學(xué)研用單位，共同構(gòu)建了三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊，全面布局科研攻關(guān)任務(wù)和工程項目實施，有效發(fā)揮了新型舉國體制的優(yōu)勢。
自主化設(shè)計、制造不僅可以增強(qiáng)核電站的經(jīng)濟(jì)性，還可以提供可靠的、可持續(xù)發(fā)展的資源保障。目前，國內(nèi)已形成較為完備的先進(jìn)核電設(shè)備整機(jī)配套能力與供應(yīng)體系，以及標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)能力。我國已具備年產(chǎn)8至12臺/套先進(jìn)核電機(jī)組的裝備能力。
通過三代核電自主化，我國正在實現(xiàn)對國際最高水平的趕超。鄭明光自豪地說：“技術(shù)上有保障，安全上有優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)上有競爭力，‘國和一號’將有效支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，助力‘碳達(dá)峰、碳中和’目標(biāo)的實現(xiàn)。”(谷業(yè)凱 李云起)
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