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長達(dá)12年科研攻關(guān)，“國和一號(hào)”示范工程——

在“國和一號(hào)”示范工程某小型模塊起吊現(xiàn)場(chǎng)，工人搭乘升降機(jī)檢測(cè)卷揚(yáng)機(jī)。

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(hào)”正式發(fā)布。這也意味著我國從本世紀(jì)初開始施行的三代核電自主化戰(zhàn)略取得重大突破。

目前，“國和一號(hào)”示范工程按計(jì)劃逐步加快，首期工程就可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，將為清潔低碳、美麗中國與能源變革做出更大貢獻(xiàn)。

“國和一號(hào)”是我國在引進(jìn)消化吸收三代非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過小型先進(jìn)壓水堆及低溫氣冷堆核電站國家科技重大專項(xiàng)開發(fā)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)型。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)組提升了100倍；單臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量大概120億千瓦時(shí)，可滿足超過2200萬市民的用電需求，每年可減低溫室二氧化碳排放超過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(yùn)維便捷，是名副雖然的“國之重器”

“國和一號(hào)”研發(fā)工作自2008年即將啟動(dòng)，長達(dá)12年完成。國家電力投資集團(tuán)有限公司作為牽頭單位，組織全省600多家單位、31000余名技術(shù)人員參與，累計(jì)產(chǎn)生知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果超7611項(xiàng)，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(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)模化建設(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，是小型先進(jìn)壓水堆核電站國家科技重大專項(xiàng)總設(shè)計(jì)師。他對(duì)“重、大”二字的理解十分直觀：“‘國和一號(hào)’單臺(tái)機(jī)組中，超過100噸的設(shè)備、模塊有30件左右，最大的模塊容積有5000多立方米，重達(dá)1400多噸”“安全殼是個(gè)半徑40多米，高70多米的‘大軟膏’，用5分米厚左右的厚板制成，每平方米可承受40噸以上的壓力”“蒸汽發(fā)生器上面有1萬多根用于熱交換的U型管，總長超過300公里……”

“國和一號(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)預(yù)制構(gòu)件等關(guān)鍵設(shè)備材料全部實(shí)現(xiàn)自主化設(shè)計(jì)和國產(chǎn)化制造。鄭明光對(duì)“自主創(chuàng)新”四字深有感悟：“站在世界核電技術(shù)發(fā)展高檔，‘國和一號(hào)’填補(bǔ)了我國核電產(chǎn)業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)和工藝空白，促進(jìn)了核電行業(yè)和技術(shù)整體升級(jí)換代，是名副雖然的‘國之重器’。”

從1970年舉辦“七二八工程”開始，我國核電早已走過了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(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年曾經(jīng)，該階段技術(shù)建成的核電稱為二代，然后將滿足三里島核電車禍后對(duì)策與響應(yīng)舉措的核電站稱為二代加核電。”鄭明光說，“美國三里島核車禍發(fā)生后，全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識(shí)進(jìn)一步提高，先進(jìn)核電國家針對(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)與剖析評(píng)估，提出了一系列改進(jìn)、增強(qiáng)安全性的舉措，三代核電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。”

鄭明光介紹，作為三代核電機(jī)型的“國和一號(hào)”，關(guān)鍵核安全設(shè)計(jì)理念是“非能動(dòng)”，比如安全殼冷卻系統(tǒng)就采用這一理念，不依賴外在動(dòng)力源即可運(yùn)行工作。“利用鋼制外殼作為傳質(zhì)表面，車禍條件下安全殼內(nèi)的蒸氣都會(huì)在安全殼內(nèi)表面冷凝，之后通過導(dǎo)熱將熱量傳遞到鋼制外殼外的水膜或大氣，安全殼內(nèi)外部冷卻都是一個(gè)自然循環(huán)。”

“通過把安全系統(tǒng)的水放到低位，一旦發(fā)生車禍，水會(huì)在重力的作用下流到反應(yīng)堆堆芯或安全殼表面，手動(dòng)冷卻堆芯，同時(shí)對(duì)安全殼外殼施行外部噴淋產(chǎn)生冷卻水膜，增加安全殼內(nèi)的壓力和濕度，保證安全殼這道安全屏障不受損毀。”鄭明光說。

“國和一號(hào)”是全面、系統(tǒng)、完整落實(shí)非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念的核電機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)、設(shè)備的急劇簡(jiǎn)化。鄭明光介紹，這個(gè)“簡(jiǎn)化”卻不像原理看起來這么簡(jiǎn)單，須要大量的理論剖析和系統(tǒng)性的試驗(yàn)驗(yàn)證。它的安全設(shè)備與相應(yīng)的備品備件大大降低，安全性反倒有了大幅度提高。鞋廠化預(yù)制、模塊化建造減短了建設(shè)工期，運(yùn)維的便捷性更優(yōu)化了經(jīng)濟(jì)性，才能滿足我國經(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)舉步不停，彌補(bǔ)了一項(xiàng)又一項(xiàng)空白，促進(jìn)我國核電實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展

怎樣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？如何研發(fā)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的核電型號(hào)，實(shí)現(xiàn)批量化建設(shè)？在鄭明光看來，這種都必須通過自主化國產(chǎn)化來解決。

帶著這種挑戰(zhàn)，中國核電人即將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(gè)看似無法逾越的障礙——根據(jù)外方的合作合同，只有電功率超過135萬千瓦，我國能夠擁有三代非能動(dòng)核電的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此，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，包括降低鋼制安全殼的半徑和長度以擴(kuò)大核島空間，重新設(shè)計(jì)研發(fā)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)機(jī)型總體安全性、經(jīng)濟(jì)性和效率的全面提高。

“135萬千瓦，對(duì)非能動(dòng)安全、主要設(shè)備來說是個(gè)‘大門檻’。”鄭明光說，“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)單的等比列放大，要真正懂設(shè)計(jì)、懂技術(shù)，具備自主研發(fā)、自主試驗(yàn)的能力，不把握核心技術(shù)，這個(gè)‘大門檻’就過不去。”

要想提高核電機(jī)型功率，從材料研制到零部件生產(chǎn)再到設(shè)備安裝調(diào)試，幾乎都要重新論證、分析、評(píng)估與研發(fā)。

一回路冷卻劑管線，簡(jiǎn)稱“主管道”，是連通核電站壓力容器、蒸發(fā)器等主要設(shè)備的小型管線，好比人體的“大動(dòng)脈”。為了愈發(fā)安全可靠，“國和一號(hào)”主管道設(shè)計(jì)為沒有熔池的一體化軋輥。主管道熱加工后，還須要進(jìn)行彎頭，任何一個(gè)控制不當(dāng)就會(huì)造成失敗中國有核電站嗎，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，中國鍛造的“大動(dòng)脈”研制成功。

反應(yīng)堆冷卻劑泵，簡(jiǎn)稱“主泵”，承當(dāng)著為核島運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力的重?fù)?dān)，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)來說是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。為清除全廠斷電時(shí)冷卻劑泄露機(jī)率，決定采用無軸套新型主泵，機(jī)型研制伊始就采用“雙線并行”的模式，一面推動(dòng)屏蔽馬達(dá)主泵研制，另一面啟動(dòng)濕定子主泵技術(shù)方案。六年磨一劍，濕定子主泵和屏蔽馬達(dá)主泵陸續(xù)研制成功，有效支撐了核電先進(jìn)機(jī)型的落地。

從核電“大動(dòng)脈”到“心臟”，從“大腦”核設(shè)計(jì)與安全剖析軟件，到“中樞系統(tǒng)”核電儀控，再到一次儀表等遍及核島各處的“血管”“神經(jīng)”……從設(shè)計(jì)方案到產(chǎn)品研制，三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)舉步不停，彌補(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)“卡手腕”的地方下工夫，促使我國核電實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

“國和一號(hào)”研制成功，離不開行之有效的重大科技項(xiàng)目組織管理方法

“國和一號(hào)”研制成功，離不開行之有效的國家重大科技項(xiàng)目組織管理方法：反應(yīng)堆壓力容器由北京核工院和中國一重共同研制；蒸氣發(fā)生器由北京核工院、東方電氣（北京）輕型機(jī)器有限公司和北京電氣核電設(shè)備有限公司等共同研發(fā)；主泵研制“雙線并行”，參研單位分工明晰；主管道制造難度大，機(jī)械行業(yè)骨干企業(yè)成立聯(lián)合體，集智攻關(guān)；U型管型材、核級(jí)鋯材、核級(jí)焊條、大鑄件制造等材料工藝?yán)Ь郑捎眯Ｆ髤f(xié)同深化的辦法，總算成功解決……

“利用國家科技重大專項(xiàng)，每一種設(shè)備、材料的技術(shù)開發(fā)，都布局2至5家有競(jìng)爭(zhēng)力與積極性的單位參與研發(fā)，我們從設(shè)計(jì)技術(shù)到制造技術(shù)與工藝來回多次迭代，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制中國有核電站嗎，用市場(chǎng)化的手段來促進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，迸發(fā)創(chuàng)新活力。”鄭明光介紹，“國和一號(hào)”聯(lián)合國外相關(guān)學(xué)院、科研院所、企業(yè)等一大批校企用單位，共同打造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)目施行，有效發(fā)揮了新型舉國體制的優(yōu)勢(shì)。

自主化設(shè)計(jì)、制造除了可以提高核電站的經(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，國外已產(chǎn)生較為完備的先進(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(tái)/套先進(jìn)核電機(jī)組的武器能力。

通過三代核電自主化，我國正在實(shí)現(xiàn)對(duì)國際最高水平的超越。鄭明光自豪地說：“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)的建立，推動(dòng)‘碳達(dá)峰、碳中和’目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”(谷業(yè)凱李云起)