“核”力奋进丨核动力院:逐梦前行,铺设华龙一号成“龙”之路

2022-04-02 09:34  来源:中核集团   浏览:  

逐梦前行,铺设“华龙一号”成“龙”之路

1996年,“177堆芯”提出,“华龙一号”“破土而生”。

2019年,中华人民共和国成立70周年国庆阅兵仪式上,“华龙一号”模型登上四川彩车从天安门前驶过。

2022年,“华龙一号”示范工程全面建成投运。

“华龙一号”是我国完全自主知识产权的三代先进核电技术,其核心——反应堆及一回路系统由中国核动力研究设计院研发设计,是核动力院在核电领域的一项重要科研成果,“华龙一号”创新性地采用了“177堆芯”和能动+非能动安全技术,其技术指标和安全指标达到了国际三代核电技术的先进水平。

26年,核动力院始终践行“强核报国 创新奉献”的新时代核工业精神和“自强自立、求真务实、创新协同、拼搏奉献”的“〇九”精神,披荆斩棘、日夜奋战,成功让中国拥有了真正意义上的自主三代核电。

一路走来,核动力院在“华龙一号”研发、设计、试验、建设过程中斩获多项重大国家级奖项,《协同创新模式下“华龙一号”反应堆研发管理》获评第七届中国管理科学奖;以核动力院为专利权人、吴琳为第一发明人的“华龙一号”核心发明专利《基于177堆芯的能动加非能动核蒸汽供应系统及其核电站》荣获第二十二届中国专利金奖等;累计申请了国内专利270余件,国际专利30件。

“华龙一号”是当之无愧的“国之重器”。

源起、从第一度核电走来

在毛主席“核潜艇,一万年也要搞出来”的伟大号召下,1965年,在四川的一处深山中,九〇九基地悄然建立,拉开了中国核动力事业发展的序幕。1970年8月30日,中国第一代核潜艇陆上模式堆达到满功率运行,同时,也发出了中国大陆第一度核电。

在第一代核潜艇陆上模式堆的基础上,中国核动力事业稳步向前发展,改革开放后,国家开始发展核电。

20世纪90年代初,我国自行设计、建造和运行管理的第一座30万千瓦压水堆核电站——秦山核电站投入运营。

彼时的中国核电人都在思考一个问题——“什么时候中国能拥有自己的百万千瓦核电机组?” 中国第三代核电技术的起源便要从此时说起。 1996年,秦山二期设计任务完成,现场顺利开工。核动力院时任院长张森如召集了10多位年轻的技术骨干从成都回到了中国第一代核潜艇研发基地——寂静的九〇九基地,对中国自主的百万千瓦核电技术开展封闭式研讨。参加此次研讨的主要是反应堆物理、热工水力、核燃料等专业的年轻骨干,他们大多数经历了秦山二期设计任务的锤炼,既有专业功底,又有工程经验。

20多年前的成都,一到冬天枯水期,到处限电,城市里到处黑压压一片。当时的核动力人着眼于满足国家电力需求、能源结构调整和核电发展的需要,认为核电发展下去最终还是要走自己的路。

这次讨论决定了中国核电自主化的技术方向,为“华龙一号”的成功建成播下了希望的“种子”。

随后,经过一系列头脑风暴,讨论、计算、验证……最终确定了“177堆芯”设计、更大尺寸的压力容器等重要技术参数,形成了CNP1000技术方案,也就是“华龙一号”的雏形。

如今,“华龙一号”示范工程全面建成,也就意味着,这个大胆的设想,成功了!

克难、“华龙一号”涅槃重生

事实上,彼时提出的“177堆芯”百万千瓦核电技术方案,严格来说,还只是比较粗浅的“纸上谈兵”,不能算第三代核电技术。要想成为真正的第三代核电技术,还需要更精细的论证和试验。为此,核动力院开始了CNP1000方案的进一步细化和推广之路。

但由于技术基础相对薄弱、国外核电竞争等因素,中国人自己研发出来的百万千瓦核电技术CNP1000迟迟不能落地。

2009年,距离“177堆芯”最早提出已经有10多年时间,全球核电技术不断发展,在吸收这些新技术的基础上,CNP1000变更为CP1000,即中国压水堆。

2010年底,中国核能行业协会组织全国专家审查CP1000方案,与会专家认为,CP1000解决了中国自主百万千瓦核电技术从无到有的问题,是一项重大突破。审查会后,核动力院CP1000团队一鼓作气,继续深化技术方案,到2011年初,完成了初步设计和初步安全分析报告。

2011年2月28日~3月1日,是CP1000项目落地前的最后一次例行审查会。会上,CP1000再次获得专家们的高度肯定。

项目终于可以开工建设了。 2011年3月8日,福清现场,10多台挖掘机就位,轰隆隆地在现场挖地基。历经17年,中国核电技术从“跟跑”到“并跑”,“177堆芯”的设想终于要实现了。然而,谁都没有想到,仅3天之后,日本福岛核事故给项目建设按下了“暂停键”。

福岛核事故后,国家紧急叫停了核电项目的审批,所有已开工的项目停工进行安全检查,已批准但尚未正式开工的不再开工。代表中国自主核电发展最高水平的CP1000项目——福清5、6号机组,被打上了“不再开工”的标签。

怎么办?就此放弃?所有核电人都不甘心。 在经过一年多焦灼的等待和辛苦的奔走后,终于迎来了曙光——国务院确定“按照全球最高安全要求新建核电项目,新建核电机组必须符合三代安全标准”。

2011年6月,中核集团召集院士专家“会诊”。按照“国四条”的要求,启动核电技术重点科技专项,重新布局核电技术研发,重新开展顶层设计。

这给核动力院也吃了一颗“定心丸”。经过两个月的论证,最终确定了以ACP1000作为新的型号。“A”就是“advanced”先进的意思,在CP1000的基础上,增加了最先进、要求最严苛的多项安全措施,这就是中国先进百万千瓦压水堆核电机组的代号,也就是今天的“华龙一号”。

创新、铸就国之重器

在中核集团的大力支持下,核动力院凝聚骨干力量成立了ACP1000项目部,开始了“三代核电(ACP1000)反应堆及一回路系统研制”项目艰苦的技术攻关之路。

“华龙一号”之所以成为三代核电,相较于二代和“二代+”核电必有创新之处。这其中最重要的创新之一就是“177堆芯”。在国外通用的157根燃料组件的基础上,每个象限增加5根燃料组件,4个象限共增加20根组件,形成“177堆芯”的创新设计。就好像是将原来157格的棋盘格扩大了20格。

这个创新看似简单,其实却很复杂。在充分考虑热量传递、燃料富集度等组件之间相互制约的因素后,还要提升堆芯性能,这并不是一件容易的事情。这一创新使得堆芯换料周期由通常的12个月延长至18个月,将核电厂可利用率提高至90%以上。

同时,三代核电还必须满足最高标准的安全要求,安全是核工业的生命线。

为了达到全球最高安全要求,核动力院开创性地提出了“能动与非能动相结合”的安全设计理念。所谓“能动”,即靠电来驱动安全系统,保障核电站运行,但如果在极端情况下,即超设计基准事故的情况下,核电站断电了,这时“非能动”就能派上用场,依靠重力、温差和压缩空气等自然力来驱动安全系统,通过蒸发、冷凝、对流、自然循环等自然过程来带走热量。当时国内关于非能动系统的设计完全没有参考,国外又严防死守,进行技术封锁,只能靠核动力院的科研人员自己摸索前进,最终,在两年时间内成功研发出了非能动二次侧余热排除系统、非能动安全壳热量导出系统和能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统为代表的非能动安全系统。

除了要满足最高安全标准,在三代核电研发过程中,关键设备的技术攻关也尤为重要。设备国产化、软件自主化的实现经历了一段非常艰难的时期。

其中,最难攻关的关键设备之一就是蒸汽发生器。蒸汽发生器是核电站不可或缺的主要设备之一,被称为“核电站之肺”。蒸汽发生器结构复杂,内部零件超过一万个,价格昂贵,动辄上亿元人民币。以往大型核电站的蒸汽发生器的设计技术及知识产权掌握在国际上少数几家设计公司手中,且长期封锁技术。为了解决这一“瓶颈”问题,核动力院开始了蒸汽发生器的技术攻关。“当时决定进行自主研发的时候,条件很艰苦,没有经费,院自己筹,没有试验设施,院自己建。我们第一个大型试验装置就建在河南南阳油田里,借他们的高温高压蒸汽做试验。当时是冬天,河南下着大雪,我们团队就租了一个集装箱当宿舍,住在油田旁边方便做试验。”“华龙一号”蒸汽发生器设计总师张富源表示。仅仅27个月后,用于“华龙一号”的第三代核电ZH-65型蒸汽发生器问世,相比之下,美国、法国制造首台三代核电蒸汽发生器的时间用了将近40个月。与此同时,与国外三代核电蒸汽发生器相比,ZH-65型蒸汽发生器产生的蒸汽压力更高、蒸汽湿度更低、经济性更好。

蒸汽发生器研制只是一个缩影,不再被“卡脖子”的故事在“华龙一号”上比比皆是。

在软件自主化方面,核动力院也投入了大量精力。2015年,我国首套自主核电软件包和一体化软件集成平台NESTOR在北京正式发布,发布的数十个软件,已成功应用于核电站工程设计和运行管理。NESTOR的“问世”对我国核电发展具有重要意义。

除此之外,还有反应堆压力容器、堆内构建、控制棒驱动机构等关键设备都实现了“中国造”。

2013年底,核动力院原定的“华龙一号”科研项目基本完成,仅用了两年多一点的时间。

有心人,终不负。2015年5月5日,国家核安全局颁发福清核电厂5号机组建造许可证,2015年5月7日,5号机组浇灌第一罐混凝土(FCD),“华龙一号”全球首堆终于落地生根。从FCD到正式商运,“华龙一号”首堆建设虽然只用了短短5年的时间,但是为了让我国拥有真正意义上的自主三代核电,核动力院却辛苦奋战了近30年,攻克了一系列技术难题,打造了一批先进核电产品,提升了我国完整核电装备供应能力,创建了一套中国自主标准体系,踏出了一条自主化核电发展的成功之路。

如今,“华龙一号”批量化建设正在如火如荼地推进中,第四代核电攻关成果也已达到国际先进水平……

沧海横流,方显英雄本色。“华龙一号”的成功并不是终点,而是中国自主科技品牌崛起的一个里程碑。

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