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長達12年科研攻關(guān)，“國和一號”示范工程——

在“國和一號”示范工程某小型模塊起吊現(xiàn)場，工人搭乘升降機檢測卷揚機。

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

“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(shù)的基礎(chǔ)上，通過小型先進壓水堆及低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(quán)的小型先進壓水堆核電機型。機組設(shè)計壽命60年以上，安全水平相比二代核電機組提升了100倍；單臺機組年發(fā)電量大概120億千瓦時，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)濟性好，可建造性強，運維便捷，是名副雖然的“國之重器”

“國和一號”研發(fā)工作自2008年即將啟動，長達12年完成。國家電力投資集團有限公司作為牽頭單位，組織全省600多家單位、31000余名技術(shù)人員參與，累計產(chǎn)生知識產(chǎn)權(quán)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(yīng)體系，標(biāo)志著我國核電技術(shù)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)模化建設(shè)能力。

國家電力投資集團有限公司核能總工程師鄭明光，是小型先進壓水堆核電站國家科技重大專項總設(shè)計師。他對“重、大”二字的理解十分直觀：“‘國和一號’單臺機組中，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1400多噸”“安全殼是個半徑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”成功打破了多項材料及設(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)備材料全部實現(xiàn)自主化設(shè)計和國產(chǎn)化制造。鄭明光對“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’填補了我國核電產(chǎn)業(yè)的多項技術(shù)和工藝空白，促進了核電行業(yè)和技術(shù)整體升級換代，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多年的奮進創(chuàng)新之路。

“第一代核電技術(shù)主要是以實驗研究堆為主。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識進一步提高，先進核電國家針對核電設(shè)計、運行安全等方面進行了充分認識與剖析評估，提出了一系列改進、增強安全性的舉措，三代核電技術(shù)應(yīng)運而生。”

鄭明光介紹，作為三代核電機型的“國和一號”，關(guān)鍵核安全設(shè)計理念是“非能動”，比如安全殼冷卻系統(tǒng)就采用這一理念，不依賴外在動力源即可運行工作。“利用鋼制外殼作為傳質(zhì)表面，車禍條件下安全殼內(nèi)的蒸氣都會在安全殼內(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，水會在重力的作用下流到反應(yīng)堆堆芯或安全殼表面，手動冷卻堆芯，同時對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”是全面、系統(tǒng)、完整落實非能動設(shè)計理念的核電機型，實現(xiàn)了系統(tǒng)、設(shè)備的急劇簡化。鄭明光介紹，這個“簡化”卻不像原理看起來這么簡單，須要大量的理論剖析和系統(tǒng)性的試驗驗證。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，運維的便捷性更優(yōu)化了經(jīng)濟性，才能滿足我國經(jīng)濟社會安全高效的發(fā)展需求。

三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團隊舉步不停，彌補了一項又一項空白，促進我國核電實現(xiàn)跨越式發(fā)展

怎樣保證三代核電在高安全性基礎(chǔ)上擁有更強的競爭力？如何研發(fā)出具有競爭力的核電型號，實現(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核電的自主知識產(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)團隊，在原定技術(shù)方案基礎(chǔ)上對“國和一號”頂層設(shè)計方案進行了全局性再創(chuàng)新，包括降低鋼制安全殼的半徑和長度以擴大核島空間，重新設(shè)計研發(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，大幅度優(yōu)化主泵流量、主管道流通截面等，實現(xiàn)機型總體安全性、經(jīng)濟性和效率的全面提高。

“135萬千瓦，對非能動安全、主要設(shè)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(quán)，我們果斷調(diào)整了方案。這不是簡單的等比列放大，要真正懂設(shè)計、懂技術(shù)，具備自主研發(fā)、自主試驗的能力，不把握核心技術(shù)，這個‘大門檻’就過不去。”

要想提高核電機型功率，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、評估與研發(fā)。

一回路冷卻劑管線，簡稱“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“大動脈”。為了愈發(fā)安全可靠，“國和一號”主管道設(shè)計為沒有熔池的一體化軋輥。主管道熱加工后，還須要進行彎頭，任何一個控制不當(dāng)就會造成失敗中國有核電站嗎，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(guān)，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(yīng)堆冷卻劑泵，簡稱“主泵”，承當(dāng)著為核島運轉(zhuǎn)提供動力的重擔(dān)，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)。為清除全廠斷電時冷卻劑泄露機率，決定采用無軸套新型主泵，機型研制伊始就采用“雙線并行”的模式，一面推動屏蔽馬達主泵研制，另一面啟動濕定子主泵技術(shù)方案。六年磨一劍，濕定子主泵和屏蔽馬達主泵陸續(xù)研制成功，有效支撐了核電先進機型的落地。

從核電“大動脈”到“心臟”，從“大腦”核設(shè)計與安全剖析軟件，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)計方案到產(chǎn)品研制，三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團隊舉步不停，彌補了一項又一項空白，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法

“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、核級鋯材、核級焊條、大鑄件制造等材料工藝困局，采用校企協(xié)同深化的辦法，總算成功解決……

“利用國家科技重大專項，每一種設(shè)備、材料的技術(shù)開發(fā)，都布局2至5家有競爭力與積極性的單位參與研發(fā)，我們從設(shè)計技術(shù)到制造技術(shù)與工藝來回多次迭代，引入競爭機制中國有核電站嗎，用市場化的手段來促進相應(yīng)的技術(shù)競爭，迸發(fā)創(chuàng)新活力。”鄭明光介紹，“國和一號”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)團隊，全面布局科研攻關(guān)任務(wù)和工程項目施行，有效發(fā)揮了新型舉國體制的優(yōu)勢。

自主化設(shè)計、制造除了可以提高核電站的經(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，國外已產(chǎn)生較為完備的先進核電設(shè)備整機配套能力與供應(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/套先進核電機組的武器能力。

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