歷時12年科研攻關，“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，工人乘坐升降機檢查吊具。
國家電力投資集團有限公司供圖
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的基礎上，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)權的大型先進壓水堆核電型號。機組設計壽命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余名技術人員參與，累計形成知識產(chǎn)權成果超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)鏈供應體系，標志著我國核電技術實現(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)?；ㄔO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備制造技術壟斷，主泵、爆破閥、壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構件等關鍵設備材料全部實現(xiàn)自主化設計和國產(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)的多項技術和工藝空白，推動了核電行業(yè)和技術整體升級換代，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。
“第一代核電技術主要是以實驗研究堆為主。第二代核電技術主要發(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，三代核電技術應運而生。”
鄭明光介紹，作為三代核電型號的“國和一號”，關鍵核安全設計理念是“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)、完整落實非能動設計理念的核電型號，實現(xiàn)了系統(tǒng)、設備的大幅簡化。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。它的安全設備與相應的備品備件大大減少，安全性反而有了大幅度增強。工廠化預制、模塊化建造縮短了建設工期，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攻關團隊步履不停，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?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。為此，以鄭明光為代表的三代核電自主化技術攻關團隊，在原定技術方案基礎上對“國和一號”頂層設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，重新設計研制反應堆冷卻劑泵、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，我們果斷調(diào)整了方案。這不是簡單的等比例放大，要真正懂設計、懂技術，具備自主研制、自主試驗的能力，不掌握核心技術，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，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。
反應堆冷卻劑泵，簡稱“主泵”，承擔著為核島運轉(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，一面推進屏蔽電機主泵研發(fā)，另一面啟動濕繞組主泵技術方案。十年磨一劍，濕繞組主泵和屏蔽電機主泵相繼研發(fā)成功，有效支撐了核電先進型號的落地。
從核電“大動脈”到“心臟”，從“大腦”核設計與安全分析軟件，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)”……從設計方案到產(chǎn)品研發(fā)，三代核電自主化技術攻關團隊步履不停，填補了一項又一項空白，啃下了一塊又一塊“硬骨頭”，在關鍵核心技術“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)重型機器有限公司和上海電氣核電設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，機械行業(yè)骨干企業(yè)組建聯(lián)合體，集智攻關;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)學研協(xié)同推進的辦法，終于成功解決……
“利用國家科技重大專項，每一種設備、材料的技術開發(fā)，都布局2至5家有競爭力與積極性的單位參與研制，我們從設計技術到制造技術與工藝來回多次迭代，引入競爭機制，用市場化的手段來推動相應的技術競爭，激發(fā)創(chuàng)新活力。”鄭明光介紹，“國和一號”聯(lián)合國內(nèi)相關大學、科研院所、企業(yè)等一大批產(chǎn)學研用單位，共同構建了三代核電自主化技術攻關團隊，全面布局科研攻關任務和工程項目實施，有效發(fā)揮了新型舉國體制的優(yōu)勢。
自主化設計、制造不僅可以增強核電站的經(jīng)濟性，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核電設備整機配套能力與供應體系，以及標準化、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/套先進核電機組的裝備能力。
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：“技術上有保障，安全上有優(yōu)勢，經(jīng)濟上有競爭力，‘國和一號’將有效支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構建，助力‘碳達峰、碳中和’目標的實現(xiàn)。”
