推動核電行業(yè)和技術(shù)整體升級換代

谷業(yè)凱　李云起

2020年9月28日，我國三代核電自主化標志性成果——“國和一號”正式發(fā)布。這也意味著我國從本世紀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，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。

“國和一號”是我國在引進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)的大型先進壓水堆核電型號。機組設(shè)計壽命60年以上，安全水平相比二代核電機組提高了100倍;單臺機組年發(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)濟性好，可建造性強，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，具備先進核電自主化、批量化、規(guī)模化建設(shè)能力。

國家電力投資集團有限公司核能總工程師鄭明光，是大型先進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識進一步提升，先進核電國家針對核電設(shè)計、運行安全等方面進行了充分認識與分析評估，提出了一系列改進、增強安全性的措施，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。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)濟性，能夠滿足我國經(jīng)濟社會安全高效的發(fā)展需求。

三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團隊步履不停，填補了一項又一項空白，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)上擁有更強的競爭力？怎樣研制出具有競爭力的核電機型，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，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，還需要進行彎管，任何一個控制不當都會導(dǎo)致失敗，只能靠試驗不斷摸索、改進。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。