歷時(shí)12年科研攻關(guān),“國(guó)和一號(hào)”示范工程——
在“國(guó)和一號(hào)”示范工程某大型模塊吊裝現(xiàn)場(chǎng),工人乘坐升降機(jī)檢查吊具。國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司供圖
2020年9月28日,我國(guó)三代核電自主化標(biāo)志性成果——“國(guó)和一號(hào)”正式發(fā)布。這也意味著我國(guó)從本世紀(jì)初開(kāi)始實(shí)施的三代核電自主化戰(zhàn)略取得重大突破。
目前,“國(guó)和一號(hào)”示范工程按計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn),首期工程就可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供,將為清潔低碳、美麗中國(guó)與能源轉(zhuǎn)型作出更大貢獻(xiàn)。
“國(guó)和一號(hào)”是我國(guó)在引進(jìn)消化吸收三代非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)發(fā)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型先進(jìn)壓水堆核電型號(hào)。機(jī)組設(shè)計(jì)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(tái)機(jī)組年發(fā)電量大約120億千瓦時(shí),可滿(mǎn)足超過(guò)2200萬(wàn)居民的用電需求,每年可減少溫室氣體排放超過(guò)900萬(wàn)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(yùn)維方便,是名副其實(shí)的“國(guó)之重器”
“國(guó)和一號(hào)”研發(fā)工作自2008年正式啟動(dòng),歷時(shí)12年完成。國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司作為牽頭單位,組織全國(guó)600多家單位、31000余名技術(shù)人員參與,累計(jì)形成知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果超7611項(xiàng),建成了具有國(guó)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(guó)核電技術(shù)實(shí)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(guó)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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)總設(shè)計(jì)師。他對(duì)“重、大”二字的理解非常直觀:“‘國(guó)和一號(hào)’單臺(tái)機(jī)組中,超過(guò)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(gè)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(wàn)多根用于熱交換的U型管,總長(zhǎng)超過(guò)300公里……”
“國(guó)和一號(hào)”成功打破了多項(xiàng)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(shí)現(xiàn)自主化設(shè)計(jì)和國(guó)產(chǎn)化制造。鄭明光對(duì)“自主創(chuàng)新”四字深有體會(huì):“站在世界核電技術(shù)發(fā)展高端,‘國(guó)和一號(hào)’填補(bǔ)了我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)和工藝空白,推動(dòng)了核電行業(yè)和技術(shù)整體升級(jí)換代,是名副其實(shí)的‘國(guó)之重器’。”
從1970年開(kāi)展“七二八工程”開(kāi)始,我國(guó)核電已經(jīng)走過(guò)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(shí)驗(yàn)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(chēng)為二代,之后將滿(mǎn)足三里島核電事故后對(duì)策與響應(yīng)措施的核電站稱(chēng)為二代加核電。”鄭明光說(shuō),“美國(guó)三里島核事故發(fā)生后,全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識(shí)進(jìn)一步提升,先進(jìn)核電國(guó)家針對(duì)核電設(shè)計(jì)、運(yùn)行安全等方面進(jìn)行了充分認(rèn)識(shí)與分析評(píng)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(yùn)而生。”
鄭明光介紹,作為三代核電型號(hào)的“國(guó)和一號(hào)”,關(guān)鍵核安全設(shè)計(jì)理念是“非能動(dòng)”,例如安全殼冷卻系統(tǒng)就采用這一理念,不依賴(lài)外在動(dòng)力源即可運(yùn)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(huì)在安全殼內(nèi)表面冷凝,然后通過(guò)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(gè)自然循環(huán)。”
“通過(guò)把安全系統(tǒng)的水放在高位,一旦發(fā)生事故,水會(huì)在重力的作用下流到反應(yīng)堆堆芯或安全殼表面,自動(dòng)冷卻堆芯,同時(shí)對(duì)安全殼殼體實(shí)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(shuō)。
“國(guó)和一號(hào)”是全面、系統(tǒng)、完整落實(shí)非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念的核電型號(hào),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)、設(shè)備的大幅簡(jiǎn)化。鄭明光介紹,這個(gè)“簡(jiǎn)化”卻不像原理看上去那么簡(jiǎn)單,需要大量的理論分析和系統(tǒng)性的試驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)維的方便性更優(yōu)化了經(jīng)濟(jì)性,能夠滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(duì)步履不停,填補(bǔ)了一項(xiàng)又一項(xiàng)空白,推動(dòng)我國(guó)核電實(shí)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(jìng)爭(zhēng)力?怎樣研制出具有競(jìng)爭(zhēng)力的核電機(jī)型,實(shí)現(xiàn)批量化建設(shè)?在鄭明光看來(lái),這些都必須通過(guò)自主化國(guó)產(chǎn)化來(lái)解決。
帶著這些挑戰(zhàn),中國(guó)核電人正式踏上了三代核電自主化國(guó)產(chǎn)化的創(chuàng)新之路。
首先擺在面前的,就是一個(gè)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(guò)135萬(wàn)千瓦,我國(guó)才能擁有三代非能動(dòng)核電的自主知識(shí)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(duì),在原定技術(shù)方案基礎(chǔ)上對(duì)“國(guó)和一號(hào)”頂層設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)型號(hào)總體安全性、經(jīng)濟(jì)性和效率的全面提升。
“135萬(wàn)千瓦,對(duì)非能動(dòng)安全、主要設(shè)備來(lái)說(shuō)是個(gè)‘大門(mén)檻’。”鄭明光說(shuō),“為了確保擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),我們果斷調(diào)整了方案。這不是簡(jiǎn)單的等比例放大,要真正懂設(shè)計(jì)、懂技術(shù),具備自主研制、自主試驗(yàn)的能力,不掌握核心技術(shù),這個(gè)‘大門(mén)檻’就過(guò)不去。”
要想提升核電型號(hào)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(píng)估與研制。
一回路冷卻劑管道,簡(jiǎn)稱(chēng)“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(dòng)脈”。為了更加安全可靠,“國(guó)和一號(hào)”主管道設(shè)計(jì)為沒(méi)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(gè)控制不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致失敗,只能靠試驗(yàn)不斷摸索、改進(jìn)。2年多的時(shí)間里,多家參研單位協(xié)同攻關(guān),試驗(yàn)主管道毛坯從8噸、20噸、36噸,最后升格為70噸,最終,中國(guó)鍛造的“大動(dòng)脈”研制成功。
反應(yīng)堆冷卻劑泵,簡(jiǎn)稱(chēng)“主泵”,承擔(dān)著為核島運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力的重任,可以看作核電站正常功率運(yùn)行時(shí)的“心臟”。全新的制造工藝和運(yùn)行流程,對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。為消除全廠斷電時(shí)冷卻劑泄漏概率,決定采用無(wú)軸封新型主泵,型號(hào)研發(fā)伊始就采用“雙線(xiàn)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(dòng)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(hào)的落地。
從核電“大動(dòng)脈”到“心臟”,從“大腦”核設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)步履不停,填補(bǔ)了一項(xiàng)又一項(xiàng)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(dòng)我國(guó)核電實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
“國(guó)和一號(hào)”研制成功,離不開(kāi)行之有效的重大科技項(xiàng)目組織管理方式
“國(guó)和一號(hào)”研制成功,離不開(kāi)行之有效的國(guó)家重大科技項(xiàng)目組織管理方式:反應(yīng)堆壓力容器由上海核工院和中國(guó)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(xiàn)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(jí)鋯材、核級(jí)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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng),每一種設(shè)備、材料的技術(shù)開(kāi)發(fā),都布局2至5家有競(jìng)爭(zhēng)力與積極性的單位參與研制,我們從設(shè)計(jì)技術(shù)到制造技術(shù)與工藝來(lái)回多次迭代,引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,用市場(chǎng)化的手段來(lái)推動(dòng)相應(yīng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng),激發(fā)創(chuàng)新活力。”鄭明光介紹,“國(guó)和一號(hào)”聯(lián)合國(guó)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(duì),全面布局科研攻關(guān)任務(wù)和工程項(xiàng)目實(shí)施,有效發(fā)揮了新型舉國(guó)體制的優(yōu)勢(shì)。
自主化設(shè)計(jì)、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(guó)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(guó)已具備年產(chǎn)8至12臺(tái)/套先進(jìn)核電機(jī)組的裝備能力。
通過(guò)三代核電自主化,我國(guó)正在實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)際最高水平的趕超。鄭明光自豪地說(shuō):“技術(shù)上有保障,安全上有優(yōu)勢(shì),經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力,‘國(guó)和一號(hào)’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(shí)現(xiàn)。”(谷業(yè)凱 李云起)
評(píng)論