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第三代核電錨定100%國產(chǎn)化,向國際最高水平趕超——

“國和一號”的自主創(chuàng)新之路

本報(bào)記者 康 樸
2024年09月06日11:59 | 來源:人民網(wǎng)-《人民日報(bào)海外版》
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  “國和一號”示范工程現(xiàn)場吊環(huán)。

  “國和一號”技術(shù)原理示意圖。

  “國和一號”模型。
  本報(bào)記者 康 樸攝

  “國和一號”整體外觀模擬圖。
  圖片除標(biāo)注外均由國核示范提供

  先看兩組數(shù)字。

  60年、900萬噸、150萬千瓦;

  12年,700余家,超3萬名,1.4萬余項(xiàng)。

  第一組,是“國和一號”的安全、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保說明書——設(shè)計(jì)使用壽命60年,每年二氧化碳減排量約900萬噸,單機(jī)組發(fā)電功率150萬千瓦。

  第二組,是背后的付出與成果——12年研發(fā)歷程,700余家單位、超3萬名技術(shù)人員參與其中,累計(jì)形成知識產(chǎn)權(quán)成果1.4萬余項(xiàng)。

  兩組數(shù)字合起來,就是“國和一號”的一份亮眼“簡歷”?!皣鸵惶枴笔且劳袊抑卮罂萍紝m?xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”開發(fā)的三代核電自主化標(biāo)志性成果,是完全自主設(shè)計(jì)的中國核電技術(shù)品牌,代表當(dāng)今核電技術(shù)的先進(jìn)水平。

  “國和一號”首堆——“國和一號”示范工程位于山東榮成,由國家電投國核示范電站有限責(zé)任公司(以下簡稱“國核示范”)負(fù)責(zé)建設(shè)、管理和運(yùn)營,目前一期兩臺機(jī)組建設(shè)正有序推進(jìn),首期工程投產(chǎn)后就可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。

  

  國之重器,填補(bǔ)空白

  在榮成的國家電投新能源科技館,一個1∶60的模型清晰展示了“國和一號”的構(gòu)造。核電機(jī)組整體上可分為兩大部分:一側(cè)是核島,有高聳直立的核反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器,鋼穹頂上方放著一個巨大水箱;另一側(cè)為常規(guī)島,核島產(chǎn)生的蒸汽傳送過來驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。

  “‘國和一號’是名副其實(shí)的國之重器。”國核示范設(shè)計(jì)管理處處長劉春光說,“從體型構(gòu)造看,‘國和一號’單臺機(jī)組總重超1400噸,其中一個直徑超1米的大閥門就有29噸重,由鋼水澆鑄而成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜,僅蒸汽發(fā)生器的U型管就超過1萬根,如果將這些管道連接起來,總長度在300公里以上。”

  據(jù)介紹,外部安全殼的直徑,更是達(dá)40余米。從使用材料看,特制的鋼板厚度超5厘米。開啟運(yùn)行后,有的組件內(nèi)部每平方米承受的壓力逾40噸,遠(yuǎn)超輕型裝甲車的重量。

  不僅“身形”巨大,效益同樣突出。“國和一號”單臺機(jī)組發(fā)電功率為150萬千瓦,設(shè)計(jì)壽命60年,投產(chǎn)后年發(fā)電量114億千瓦時(shí),可滿足超1100萬居民的用電需求,每年可減少溫室氣體排放超過900萬噸。以平均每畝樹林減排1.336噸二氧化碳折算,減排效應(yīng)相當(dāng)于造林約674萬畝。

  中國核電市場一度被稱作“萬國牌”,有多個國家的核電技術(shù)并存。2006年,中國決定實(shí)施三代核電自主化戰(zhàn)略。作為國家重大科技專項(xiàng),“國和一號”在立項(xiàng)時(shí)就肩負(fù)特殊使命——攻克大型先進(jìn)核電機(jī)組批量化建設(shè)難關(guān)。

  研發(fā)工作自2008年啟動。2020年,國家電投正式發(fā)布“國和一號”,標(biāo)志著該技術(shù)終于完成研發(fā)。歷時(shí)12年科研攻關(guān),共有700余家單位、超3萬名技術(shù)人員參與其中,累計(jì)形成知識產(chǎn)權(quán)成果1.4萬余項(xiàng),形成新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新裝置、新軟件等2000余項(xiàng)。

  “‘國和一號’采用CAP1400壓水堆技術(shù),是‘高起點(diǎn)再創(chuàng)新’,它基于引進(jìn)消化吸收三代非能動壓水堆核電技術(shù),基于中國50年的核電廠研發(fā)、設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn),也基于中國核電機(jī)組近30年的安全建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)?!眹译娡都瘓F(tuán)核能領(lǐng)域工程技術(shù)管理學(xué)科專家、國核示范副總監(jiān)劉新利介紹。

  “國和一號”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)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。

  “站在世界核電技術(shù)發(fā)展前沿,‘國和一號’填補(bǔ)了我國核電產(chǎn)業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)和工藝空白,推動核電行業(yè)和技術(shù)整體升級換代。”劉新利說。

  安全性高,經(jīng)濟(jì)性好

  建核電站,人們最關(guān)注的還是安全。

  “隨著全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識進(jìn)一步提升,先進(jìn)核電國家針對核電設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面進(jìn)行了充分分析評估,提出一系列改進(jìn)措施,三代核電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。”劉新利說。

  從模型結(jié)構(gòu)可以看到,“國和一號”外層被厚厚的混凝土層包裹?!斑@是屏蔽廠房,厚1.1米,兩層鋼板內(nèi)部填充高性能、高強(qiáng)度的混凝土,可抵御臺風(fēng)、海嘯來襲或是飛機(jī)撞擊?!眲⑿吕榻B。

  再看由4道屏障構(gòu)成的內(nèi)部安全保護(hù):燃料芯塊、燃料包殼、一回路壓力邊界,特別是直徑43米、高70多米的鋼制安全殼,仿佛一個巨大的膠囊型鋼鐵屏障,事故后可以將放射性物質(zhì)牢牢包裹住。

  “先進(jìn)三代核電消除了大規(guī)模放射性物質(zhì)釋放的可能性,排除了核電風(fēng)險(xiǎn)對環(huán)境與公眾的放射性危害。”劉新利表示。

  在安全設(shè)計(jì)思路上,“國和一號”采用了“非能動”理念。簡單來說,就是不依賴外部動力或人工干預(yù)即可自行啟動運(yùn)行。這一理念體現(xiàn)在諸多細(xì)節(jié)上。比如遇上停堆,熱量無法導(dǎo)出,反應(yīng)堆就會燒毀。這時(shí),核島頂部的大水箱就要發(fā)揮作用了。

  大水箱里裝著3000多噸冷卻水,是非能動核安全設(shè)計(jì)理念的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?!八畷谥亓ψ饔孟铝鞯椒磻?yīng)堆堆芯或安全殼表面,把里面的熱量置換出來,自動冷卻堆芯與安全殼系統(tǒng),保證堆芯與安全殼不受損。”劉新利介紹,“斷電狀況下,‘國和一號’反應(yīng)堆能在事故發(fā)生72小時(shí)內(nèi)無須人工干預(yù)自動保證安全。”

  “性價(jià)比”是日常消費(fèi)的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn),工程建設(shè)也是如此。相較于過去的安全措施,非能動設(shè)計(jì)理念讓核電設(shè)備大幅簡化,安全性卻有了巨大提升。相比傳統(tǒng)電廠,“國和一號”整體閥門減少50%、管道減少80%、電纜減少70%,提高了可建造性、可運(yùn)行性和可維修性。采用“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、模塊化施工、專業(yè)化管理、自主化建設(shè)”模式,“國和一號”在經(jīng)濟(jì)性上具有明顯競爭優(yōu)勢。

  全力沖刺,全國產(chǎn)化

  超90%,這是“國和一號”示范工程設(shè)備的國產(chǎn)化率,后續(xù)項(xiàng)目也已基本具備全國產(chǎn)化能力。

  如何保證三代核電在高安全性基礎(chǔ)上擁有更強(qiáng)的競爭力?如何實(shí)現(xiàn)批量化建設(shè)?這些都必須通過自主化國產(chǎn)化來解決。

  反應(yīng)堆冷卻劑泵,簡稱“主泵”,承擔(dān)著為核島運(yùn)轉(zhuǎn)提供動力的重任,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,對制造業(yè)來說是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。為確保研制成功,許多關(guān)鍵設(shè)備都采取“雙線并行”的策略。主泵就是這樣,一面推進(jìn)屏蔽電機(jī)主泵研發(fā),另一面啟動濕繞組主泵技術(shù)方案。

  2011年入職后,國核示范設(shè)備管理處劉原君就參與2種主泵的國產(chǎn)化研制。主泵樣機(jī)產(chǎn)品試驗(yàn)期間,他3600個小時(shí)在臺架旁駐守,幫助解決推力盤劃痕干磨問題,按照快速識別、精準(zhǔn)糾偏和保守驗(yàn)證模式,確保主泵順利研發(fā)。

  十年磨一劍,兩條技術(shù)路線相繼走通,使中國核電產(chǎn)業(yè)鏈在細(xì)分領(lǐng)域一躍成為全球領(lǐng)先。

  在核電產(chǎn)業(yè)鏈的“朋友圈”里,不僅有大型國有企業(yè),還包括許多民營企業(yè)。

  核電機(jī)組中所用到的1萬多根U型管,需要防輻射、防腐蝕,對制造的材料要求很高,過去不得不依賴進(jìn)口。

  2005年,一個叫莊建新的年輕人來到法國尋求合作,吃了閉門羹。回國后,莊建新成立了自己的公司,埋頭苦干,U型管研發(fā)終獲成功,產(chǎn)能也不斷提升,成了行業(yè)“隱形冠軍”。

  從核電“心臟”主泵,到“大腦”核設(shè)計(jì)與安全分析軟件;從“中樞系統(tǒng)”核電儀控,到一次儀表等遍布核島各處的“血管”“神經(jīng)”……三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)步履不停,填補(bǔ)了一項(xiàng)又一項(xiàng)空白,啃下了一塊又一塊“硬骨頭”。

  “國和一號”示范工程兩臺機(jī)組共有8萬余臺設(shè)備,部分核級設(shè)備要求嚴(yán)苛,研制難度極大,此前國內(nèi)并不具備生產(chǎn)能力。研發(fā)初期,為盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在對國內(nèi)核電裝備產(chǎn)業(yè)全面梳理的基礎(chǔ)上,首先選擇攻克其中“最貴”“最難”的部分,剩余小部分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備則進(jìn)行國際采購。

  “這一小部分設(shè)備屬于市場價(jià)格合理、競爭充分、不存在少數(shù)幾家企業(yè)壟斷的物項(xiàng),也不會影響‘國和一號’的落地和出口?!眹耸痉稒C(jī)械采購科科長王亞松說。

  隨著國際環(huán)境的變化,這一小部分設(shè)備成了壓在核電人心頭的巨石。“為徹底補(bǔ)上短板,避免‘因1%卡死100%’,在攻克大多數(shù)設(shè)備國產(chǎn)化難題后,產(chǎn)業(yè)鏈上下游單位開展聯(lián)合攻關(guān),目前國產(chǎn)化率已超90%,正向100%國產(chǎn)化目標(biāo)沖刺?!蓖鮼喫烧f。

  今天,從設(shè)計(jì)到制造,從工程的建設(shè)到建造安裝,再到核電站后期的運(yùn)維,中國已形成了一整套核電產(chǎn)業(yè)鏈,具備先進(jìn)核電設(shè)備整機(jī)配套能力與供應(yīng)體系。通過三代核電自主化,中國正實(shí)現(xiàn)對國際最高水平的趕超,助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

(責(zé)編:袁菡苓、高紅霞)

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