形成自主設(shè)計、制造、建造和運行能力

高溫氣冷堆打開核電發(fā)展新空間

習(xí)近平總書記指出，“核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全重要基石”“要積極安全有序發(fā)展核電，合理確定核電站布局和開發(fā)時序”。

山東榮成石島灣，國家科技重大專項標(biāo)志性成果——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程平穩(wěn)運行，從這里源源不斷輸出的電能和熱能，滿足著各類能源需求。

從2012年12月澆筑第一罐混凝土到2023年12月商運投產(chǎn)，從一片荒灘到全球首座投入商業(yè)運行的第四代核電站，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程的建成運行，標(biāo)志著我國在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

推動高溫氣冷堆從實驗堆向商用堆跨越

上世紀(jì)80年代，在中國科學(xué)院院士王大中帶領(lǐng)下，清華大學(xué)相關(guān)科研院所開展先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)。1986年，國家863計劃將高溫氣冷堆列為我國發(fā)展的先進(jìn)反應(yīng)堆堆型之一。在國家863計劃支持下，清華大學(xué)先后突破了球形燃料元件、球床流動特性等多項關(guān)鍵技術(shù)，并于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實驗堆。

2003年1月29日，高溫氣冷實驗堆成功實現(xiàn)72小時連續(xù)滿功率運行。同年，中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司與清華大學(xué)共同組建了中核能源科技有限公司(以下簡稱“中核能源”)，推動高溫氣冷堆技術(shù)從實驗室走向市場。2006年，高溫氣冷堆被列入國家科技重大專項;2008年，高溫氣冷堆總體實施方案獲國務(wù)院批準(zhǔn)，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院(以下簡稱“清華核研院”)院長張作義任專項技術(shù)總師。

從實驗堆向商用堆跨越，擺在團(tuán)隊面前的困難不少：重大技術(shù)轉(zhuǎn)化周期長、見效慢，人才隊伍難穩(wěn)定，科研思維與工程思維經(jīng)?！芭鲎病薄鎸μ魬?zhàn)，中核集團(tuán)和清華大學(xué)通力合作，拆除“籬笆墻”、打通從應(yīng)用基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的“快車道”，搭建了一支跨產(chǎn)業(yè)鏈、跨單位、產(chǎn)學(xué)研一體化的項目團(tuán)隊。

在聯(lián)合攻關(guān)中，張作義帶領(lǐng)團(tuán)隊取得了多項原創(chuàng)性成果;中核能源等單位的工程技術(shù)人員發(fā)揮自身在建筑結(jié)構(gòu)、水電暖、三維設(shè)計等方面的專業(yè)優(yōu)勢，以“啃硬骨頭”的精神進(jìn)行技術(shù)消化吸收;雙方建立起聯(lián)合設(shè)計機構(gòu)，實現(xiàn)了設(shè)計與施工的高度協(xié)同……不斷磨合、加速跨越，產(chǎn)學(xué)研融合不斷走向深入。

形成高溫氣冷堆核電站的自主設(shè)計、制造、建造和運行能力

2012年12月，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程正式開工，由中核集團(tuán)、清華大學(xué)、中國華能集團(tuán)組成聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，共同研發(fā)建設(shè)。其中，清華大學(xué)是技術(shù)研發(fā)主體，負(fù)責(zé)研發(fā)、總體技術(shù)方案及核島主系統(tǒng)主設(shè)備的設(shè)計，中核集團(tuán)作為示范工程建設(shè)實施主體及燃料元件生產(chǎn)單位，華能集團(tuán)作為示范工程建設(shè)營運主體。

高溫氣冷堆核電站示范工程建設(shè)面臨諸多“第一次”：清華核研院第一次設(shè)計示范電站圖紙，中核能源第一次做工程總承包，華能集團(tuán)第一次做核電業(yè)主……直面問題，相關(guān)單位緊密合作，將研究設(shè)計與加工制造深度融合，攻克了一道道技術(shù)難關(guān)。

蒸汽發(fā)生器是高溫氣冷堆的關(guān)鍵設(shè)備，作為全球首創(chuàng)的設(shè)計，沒有可供參考的制造和裝配工藝。聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊與制造廠家一道，歷經(jīng)7個月完善設(shè)計工藝、錘煉制造技術(shù)，最終成功制造出1330根符合設(shè)計規(guī)范的出口連接管，打通了蒸汽發(fā)生器制造的關(guān)鍵路徑。

聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊創(chuàng)新雙機翻轉(zhuǎn)的工藝，完成了業(yè)界最大、最重反應(yīng)堆壓力容器的吊裝，攻克陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件精確安裝的難題以及燃料裝卸系統(tǒng)復(fù)雜管路安裝等技術(shù)，高質(zhì)量完成了示范工程模塊化建造施工;聯(lián)合調(diào)試團(tuán)隊研發(fā)出一套高溫氣冷堆特有的調(diào)試運行技術(shù)，掌握了大體積雙模塊化反應(yīng)堆回路強度密封及升溫技術(shù)、低功率密度特點的反應(yīng)堆固有安全性能驗證技術(shù)等六大關(guān)鍵核心技術(shù)……“為實現(xiàn)重大專項的任務(wù)目標(biāo)，聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊共承擔(dān)重大專項課題89項，完成了數(shù)千項技術(shù)攻關(guān)。”華能山東石島灣核電有限公司總經(jīng)理常重喜說。

“通過示范工程建設(shè)，我國形成高溫氣冷堆核電站的自主設(shè)計、制造、建造和運行能力，處于世界領(lǐng)先水平?！敝泻四茉锤笨偨?jīng)理、總工程師石琦說。

高溫氣冷堆具有安全系數(shù)高、堆芯溫度高等優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景

作為我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)核能系統(tǒng)，高溫氣冷堆具有安全系數(shù)高、堆芯溫度高等優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

高溫氣冷堆具備固有安全性。清華核研院副院長董玉杰介紹，高溫氣冷堆使用耐高溫的球形燃料元件，反應(yīng)堆具有自穩(wěn)特性，還擁有余熱自然散出機制;在設(shè)計理念上，則采用了“搭積木”的模塊式設(shè)計，每個小模塊熱功率約為大型壓水堆核電站的1/10。

“反應(yīng)堆停堆后產(chǎn)生的余熱處于較低水平，意味著即使不進(jìn)行人為干預(yù)，反應(yīng)堆也能自動停堆并將余熱安全地散發(fā)出去，從而避免堆芯過熱發(fā)生熔毀。”董玉杰說。

“高溫氣冷堆發(fā)電效率高，即使采用傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)方式，其發(fā)電效率也可達(dá)40%以上。”石琦舉例，高溫氣冷堆一回路冷卻劑氦氣出口溫度高達(dá)750攝氏度，能夠產(chǎn)生541攝氏度的過熱蒸汽，可滿足石化行業(yè)主要的蒸汽需求。此外，高溫氣冷堆還能產(chǎn)生滿足石油精煉和煤化工、稠油熱采等領(lǐng)域需求的高品質(zhì)蒸汽，又適用于大規(guī)模、工業(yè)化制取綠氫等。

隨著石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程建成并投入商運，我國高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，為該技術(shù)小批量推廣創(chuàng)造了條件。石琦介紹，在充分吸收、利用示范工程的主工藝、主設(shè)備、固有安全設(shè)計、工程驗證實踐等方面經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，60萬千瓦高溫氣冷堆技術(shù)方案已經(jīng)形成，并完成了初步設(shè)計，全面轉(zhuǎn)入施工圖設(shè)計階段。(記者 谷業(yè)凱)