石島灣高溫氣冷堆示范工程外景。
中核能源科技有限公司供圖
高溫氣冷堆團(tuán)隊(duì)部分成員在石島灣高溫氣冷堆示范工程主控室合影。
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院供圖
中核能源科技有限公司主設(shè)備中心技術(shù)人員在檢查設(shè)備。
中核能源科技有限公司供圖
2023年12月6日，位于山東省威海市榮成石島灣的高溫氣冷堆核電站示范工程投入商業(yè)運(yùn)行。
這是全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的第四代核電站，也是國家科技重大專項(xiàng)標(biāo)志性成果。從2012年12月開工建設(shè)，到2023年12月商運(yùn)投產(chǎn)，高溫氣冷堆用11年的時(shí)間從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。如果把時(shí)間的尺度再拉長，我國從上世紀(jì)80年代就開展了以固有安全為主要特征的先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)。在無樣板可依、無經(jīng)驗(yàn)可循的情況下，幾代科研工作者接續(xù)攻關(guān)，推動(dòng)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。
建成10兆瓦球床模塊式高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，正式開啟科技成果轉(zhuǎn)化之路
2003年1月29日，我國自主研發(fā)建造的10兆瓦球床模塊式高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆成功實(shí)現(xiàn)72小時(shí)連續(xù)滿功率運(yùn)行。
這是一項(xiàng)令人振奮的重大科技成果。上世紀(jì)80年代起，在中國科學(xué)院院士王大中帶領(lǐng)下，清華大學(xué)開始先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)。在國家“863計(jì)劃”支持下，團(tuán)隊(duì)突破了球形燃料元件、球床流動(dòng)特性等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。
高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆是“863計(jì)劃”中投入較大的實(shí)驗(yàn)工程項(xiàng)目，也是完成最好的項(xiàng)目之一。“一是要選準(zhǔn)方向、鍥而不舍，‘十年磨一劍’；二是要解放思想、實(shí)事求是，集中力量攻克關(guān)鍵技術(shù)；三是要集體攻關(guān)、大力協(xié)同，發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神。”王大中在總結(jié)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)時(shí)說，“我們下一步的任務(wù)是逐步實(shí)現(xiàn)這個(gè)成果的產(chǎn)業(yè)化，爭取建造‘示范堆’，為我國能源發(fā)展作出貢獻(xiàn)。”
高溫氣冷堆安全可靠性高、廢物產(chǎn)生量小，具備經(jīng)濟(jì)性和多用途功能，因此也被視為極具潛力的新一代核電技術(shù)。本世紀(jì)初，一些國家在該領(lǐng)域積極布局并取得進(jìn)展。
“當(dāng)時(shí)，各國專家從100多種反應(yīng)堆概念中，篩選出6種最具前景的第四代核電技術(shù)，高溫氣冷堆就是其中之一。”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）副院長董玉杰介紹，“當(dāng)時(shí)按模塊式概念建造的實(shí)驗(yàn)堆，中國有一座，日本也有一座，還有多個(gè)國家計(jì)劃建設(shè)示范堆，大家都想在這一領(lǐng)域占得先機(jī)。”
在10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆滿功率運(yùn)行的同一年，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），高溫氣冷堆團(tuán)隊(duì)也正式開啟了科技成果轉(zhuǎn)化之路。
清華核研院副總工程師、1998年就參加了10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)工作的李富說：“實(shí)驗(yàn)堆建成后，我們的工作重心馬上轉(zhuǎn)向商業(yè)示范堆設(shè)計(jì)，并很快拿出了基本設(shè)計(jì)方案。”
2006年，高溫氣冷堆被列入國家科技重大專項(xiàng)。2008年，高溫氣冷堆總體實(shí)施方案獲國務(wù)院批準(zhǔn)。董玉杰回憶：“重大專項(xiàng)定下了非常明確的目標(biāo)，就是要以實(shí)驗(yàn)堆為基礎(chǔ)，攻克工業(yè)放大和工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，最終建成商業(yè)規(guī)模的高溫氣冷堆示范電站。”
對(duì)于實(shí)驗(yàn)堆來說，能夠短期運(yùn)行并驗(yàn)證技術(shù)可行性即可，但是商業(yè)規(guī)模的高溫氣冷堆示范電站必須實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，同時(shí)要考慮維護(hù)檢修、在役檢查、經(jīng)濟(jì)性等因素。重大專項(xiàng)設(shè)置了89個(gè)科研課題。在清華核研院院長、高溫氣冷堆重大專項(xiàng)總設(shè)計(jì)師張作義帶領(lǐng)下，一場漫長的技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)就此展開。
高溫氣冷堆核島1.5萬多臺(tái)套設(shè)備中有2200臺(tái)套為首臺(tái)套，世界首創(chuàng)型設(shè)備超過660臺(tái)，設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到93.4%
項(xiàng)目開展之初，擺在團(tuán)隊(duì)面前的首先是技術(shù)路線問題。高溫氣冷堆團(tuán)隊(duì)謹(jǐn)慎地在創(chuàng)新與技術(shù)可行性之間作出平衡。“比如，為什么不直接用氦氣來更高效地推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電？從熱力學(xué)循環(huán)上來說是理想的，但我們覺得一定要考慮工業(yè)上的可行性。”李富說。
董玉杰回憶：“通過反復(fù)比較取舍，我們最終采取了單區(qū)圓柱狀堆芯的兩模塊方案，原來的方案雖可實(shí)現(xiàn)更大的單堆功率，但研發(fā)周期長、不確定性高。現(xiàn)在回過頭來看，該技術(shù)方案的選擇非常關(guān)鍵，它可以通過標(biāo)準(zhǔn)化模塊來建設(shè)更大的商業(yè)電站。”
“核能系統(tǒng)研發(fā)很復(fù)雜，需要有系統(tǒng)工程的思維。”董玉杰舉例，比如，在提出初步總體方案后，還要分成各個(gè)分系統(tǒng)，逐步落實(shí)每個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備的工程可實(shí)施性。遇到大的矛盾，還要回過頭來重新迭代循環(huán)。直到各個(gè)分系統(tǒng)的方案、設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)都得到落實(shí)，才能最終確定總體方案。
李富介紹：“雖然我們有實(shí)驗(yàn)堆作基礎(chǔ)，但是設(shè)備一放大，所有的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和運(yùn)行特性研究，基本上要重新來過。”
繪制各個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備的圖紙，按照設(shè)備圖紙生產(chǎn)樣機(jī)；逐項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證，“背對(duì)背”計(jì)算分析；“一比一”工程實(shí)驗(yàn)，模擬反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境……“如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備上的任何缺陷和不足，我們就要進(jìn)行修改、完善設(shè)計(jì)，直到滿足要求。”董玉杰說。
“高溫氣冷堆從技術(shù)、產(chǎn)品、設(shè)備制造、材料上都是創(chuàng)新的，我們的研發(fā)與生產(chǎn)基本上同步開展。”中核能源副總經(jīng)理、總工程師石琦舉例，蒸汽發(fā)生器被稱為“核電之肺”，是高溫氣冷堆最關(guān)鍵的設(shè)備之一。蒸汽發(fā)生器換熱單元采用五層螺旋盤管，每根管子展開長度是60米，整個(gè)螺旋盤管高10米。這樣復(fù)雜的換熱單元，1臺(tái)蒸汽發(fā)生器里就有19個(gè)。
為此，清華核研院、中核能源等10多家單位參與，經(jīng)過兩年多攻關(guān)，最終建成了國際首個(gè)核級(jí)螺旋盤管和換熱單元生產(chǎn)線。
“作為全球首創(chuàng)的設(shè)計(jì)，我們沒有可參考的制造和裝配工藝。”石琦說，在高溫氣冷堆攻關(guān)過程中，國內(nèi)多家高校院所、國有企業(yè)、民營企業(yè)共同參與，研發(fā)、生產(chǎn)、參數(shù)調(diào)優(yōu)、工藝迭代幾乎同步進(jìn)行。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還完成了模塊式高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器、控制棒和吸收球系統(tǒng)、燃料裝卸系統(tǒng)等多個(gè)首臺(tái)套設(shè)備研制。高溫氣冷堆核島1.5萬多臺(tái)套設(shè)備中有2200臺(tái)套為首臺(tái)套，世界首創(chuàng)型設(shè)備超過660臺(tái)，設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到93.4%。
著力構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研深度融合的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)生態(tài)體系，形成攻關(guān)合力
解決高溫氣冷堆技術(shù)難題，需要各行業(yè)、全產(chǎn)業(yè)鏈共同參與，著力構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研深度融合的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)生態(tài)體系，形成攻關(guān)合力。“在這個(gè)組織體系里，大家不是簡單的‘合同—制造’關(guān)系，而是組成一個(gè)個(gè)創(chuàng)新聯(lián)合體，緊密耦合、協(xié)同攻關(guān)。”石琦說。
高溫氣冷堆攻關(guān)過程中，中核集團(tuán)和清華大學(xué)是最早開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作的兩家單位，中核能源就是在這樣的背景下成立的。
攻關(guān)過程中，清華核研院聚焦原始創(chuàng)新、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)，中核能源負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)、工程總包。雙方共同成立了聯(lián)合設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，還針對(duì)多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備成立了設(shè)計(jì)采購一體化攻關(guān)組。
“我們這支大團(tuán)隊(duì)里，既有科研人員，也有工程技術(shù)人員，科研思維與工程思維經(jīng)常‘碰撞’。過去我們也嘗試過‘各自為戰(zhàn)’，在單位層面開展合作，但是發(fā)現(xiàn)根本無法把‘界面’劃分清楚，索性成立聯(lián)合研發(fā)機(jī)構(gòu)，一體化決策、一體化管理。出現(xiàn)‘碰撞’時(shí)，理論、工程各自向前‘走’一步，將這些‘碰撞’消化在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部。”石琦說。
雙方還聯(lián)合舉辦核工程碩士班，將工程技術(shù)人員所承擔(dān)的工程任務(wù)轉(zhuǎn)化為核工程碩士班的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，將理論知識(shí)與工程實(shí)踐密切結(jié)合起來。工程做下來，學(xué)業(yè)也完成了。這個(gè)碩士班培養(yǎng)了上百名工程技術(shù)人員，很多人已成長為高溫氣冷堆領(lǐng)域的中堅(jiān)力量。
產(chǎn)學(xué)研融合體現(xiàn)在高溫氣冷堆攻關(guān)全過程、各方面，小到一張圖紙、一個(gè)軸承，大到完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵主設(shè)備制造……協(xié)同攻關(guān)成功推動(dòng)一批關(guān)鍵設(shè)備出校園、下產(chǎn)線、進(jìn)市場，從圖紙、樣品變成了產(chǎn)品。
“高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化需要攻關(guān)很多設(shè)備，很多情況和以前不一樣，我們必須敢于創(chuàng)新，用新材料、新設(shè)備、新工藝來解決問題。”李富說，“這支大團(tuán)隊(duì)的一個(gè)特點(diǎn)就是較真。誰技術(shù)上說得對(duì)，我們就聽誰的。”
這支團(tuán)隊(duì)中，很多人把大部分職業(yè)生涯獻(xiàn)給了高溫氣冷堆事業(yè)。“項(xiàng)目做了20年，我們始終滿懷信心。一輩子做成一件事，我們感到很幸福。”李富說。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2024年11月04日 19 版）