攻克高温气冷堆,我国第四代核电技术世界领先

2024-11-04 09:26 作者：本报记者谷业凯人民网－人民日报责任编辑：陈玮

摘要：这是全球首座投入商业运行的第四代核电站，也是国家科技重大专项标志性成果。项目团队还完成了模块式高温气冷堆反应堆压力容器、控制棒和吸收球系统、燃料装卸系统等多个首台套设备研制。

2023年12月6日，位于山东省威海市荣成石岛湾的高温气冷堆核电站示范工程投入商业运行。

这是全球首座投入商业运行的第四代核电站，也是国家科技重大专项标志性成果。从2012年12月开工建设，到2023年12月商运投产，高温气冷堆用11年的时间从蓝图变为现实。如果把时间的尺度再拉长，我国从上世纪80年代就开展了以固有安全为主要特征的先进核能技术研发。在无样板可依、无经验可循的情况下，几代科研工作者接续攻关，推动我国在第四代核电技术研发和应用领域达到国际领先水平。

建成10兆瓦球床模块式高温气冷实验堆，正式开启科技成果转化之路

2003年1月29日，我国自主研发建造的10兆瓦球床模块式高温气冷实验堆成功实现72小时连续满功率运行。

这是一项令人振奋的重大科技成果。上世纪80年代起，在中国科学院院士王大中带领下，清华大学开始先进核能技术研发。在国家“863计划”支持下，团队突破了球形燃料元件、球床流动特性等多项关键技术，于2000年建成10兆瓦高温气冷实验堆。

高温气冷实验堆是“863计划”中投入较大的实验工程项目，也是完成最好的项目之一。“一是要选准方向、锲而不舍，‘十年磨一剑’；二是要解放思想、实事求是，集中力量攻克关键技术；三是要集体攻关、大力协同，发扬团队精神。”王大中在总结项目经验时说，“我们下一步的任务是逐步实现这个成果的产业化，争取建造‘示范堆’，为我国能源发展作出贡献。”

高温气冷堆安全可靠性高、废物产生量小，具备经济性和多用途功能，因此也被视为极具潜力的新一代核电技术。本世纪初，一些国家在该领域积极布局并取得进展。

“当时，各国专家从100多种反应堆概念中，筛选出6种最具前景的第四代核电技术，高温气冷堆就是其中之一。”清华大学核能与新能源技术研究院（以下简称清华核研院）副院长董玉杰介绍，“当时按模块式概念建造的实验堆，中国有一座，日本也有一座，还有多个国家计划建设示范堆，大家都想在这一领域占得先机。”

在10兆瓦高温气冷实验堆满功率运行的同一年，中国核工业集团有限公司与清华大学共同组建了中核能源科技有限公司（以下简称中核能源），高温气冷堆团队也正式开启了科技成果转化之路。

清华核研院副总工程师、1998年就参加了10兆瓦高温气冷实验堆建设工作的李富说：“实验堆建成后，我们的工作重心马上转向商业示范堆设计，并很快拿出了基本设计方案。”

2006年，高温气冷堆被列入国家科技重大专项。2008年，高温气冷堆总体实施方案获国务院批准。董玉杰回忆：“重大专项定下了非常明确的目标，就是要以实验堆为基础，攻克工业放大和工程实验验证技术，最终建成商业规模的高温气冷堆示范电站。”

对于实验堆来说，能够短期运行并验证技术可行性即可，但是商业规模的高温气冷堆示范电站必须实现长期稳定可靠运行，同时要考虑维护检修、在役检查、经济性等因素。重大专项设置了89个科研课题。在清华核研院院长、高温气冷堆重大专项总设计师张作义带领下，一场漫长的技术攻坚战就此展开。

高温气冷堆核岛1.5万多台套设备中有2200台套为首台套，世界首创型设备超过660台，设备国产化率达到93.4%

项目开展之初，摆在团队面前的首先是技术路线问题。高温气冷堆团队谨慎地在创新与技术可行性之间作出平衡。“比如，为什么不直接用氦气来更高效地推动汽轮发电机发电？从热力学循环上来说是理想的，但我们觉得一定要考虑工业上的可行性。”李富说。

董玉杰回忆：“通过反复比较取舍，我们最终采取了单区圆柱状堆芯的两模块方案，原来的方案虽可实现更大的单堆功率，但研发周期长、不确定性高。现在回过头来看，该技术方案的选择非常关键，它可以通过标准化模块来建设更大的商业电站。”

“核能系统研发很复杂，需要有系统工程的思维。”董玉杰举例，比如，在提出初步总体方案后，还要分成各个分系统，逐步落实每个系统和设备的工程可实施性。遇到大的矛盾，还要回过头来重新迭代循环。直到各个分系统的方案、设备、关键技术都得到落实，才能最终确定总体方案。

李富介绍：“虽然我们有实验堆作基础，但是设备一放大，所有的设计、验证和运行特性研究，基本上要重新来过。”

绘制各个系统、设备的图纸，按照设备图纸生产样机；逐项技术验证，“背对背”计算分析；“一比一”工程实验，模拟反应堆实际运行的环境……“如果发现设备上的任何缺陷和不足，我们就要进行修改、完善设计，直到满足要求。”董玉杰说。

“高温气冷堆从技术、产品、设备制造、材料上都是创新的，我们的研发与生产基本上同步开展。”中核能源副总经理、总工程师石琦举例，蒸汽发生器被称为“核电之肺”，是高温气冷堆最关键的设备之一。蒸汽发生器换热单元采用五层螺旋盘管，每根管子展开长度是60米，整个螺旋盘管高10米。这样复杂的换热单元，1台蒸汽发生器里就有19个。

为此，清华核研院、中核能源等10多家单位参与，经过两年多攻关，最终建成了国际首个核级螺旋盘管和换热单元生产线。

“作为全球首创的设计，我们没有可参考的制造和装配工艺。”石琦说，在高温气冷堆攻关过程中，国内多家高校院所、国有企业、民营企业共同参与，研发、生产、参数调优、工艺迭代几乎同步进行。

项目团队还完成了模块式高温气冷堆反应堆压力容器、控制棒和吸收球系统、燃料装卸系统等多个首台套设备研制。高温气冷堆核岛1.5万多台套设备中有2200台套为首台套，世界首创型设备超过660台，设备国产化率达到93.4%。

着力构建产学研深度融合的创新网络生态体系，形成攻关合力

解决高温气冷堆技术难题，需要各行业、全产业链共同参与，着力构建产学研深度融合的创新网络生态体系，形成攻关合力。“在这个组织体系里，大家不是简单的‘合同—制造’关系，而是组成一个个创新联合体，紧密耦合、协同攻关。”石琦说。

高温气冷堆攻关过程中，中核集团和清华大学是最早开展产学研协作的两家单位，中核能源就是在这样的背景下成立的。

攻关过程中，清华核研院聚焦原始创新、关键设备设计，中核能源负责工程设计、工程总包。双方共同成立了联合设计机构，还针对多个关键技术及设备成立了设计采购一体化攻关组。

“我们这支大团队里，既有科研人员，也有工程技术人员，科研思维与工程思维经常‘碰撞’。过去我们也尝试过‘各自为战’，在单位层面开展合作，但是发现根本无法把‘界面’划分清楚，索性成立联合研发机构，一体化决策、一体化管理。出现‘碰撞’时，理论、工程各自向前‘走’一步，将这些‘碰撞’消化在团队内部。”石琦说。

双方还联合举办核工程硕士班，将工程技术人员所承担的工程任务转化为核工程硕士班的毕业设计课题，将理论知识与工程实践密切结合起来。工程做下来，学业也完成了。这个硕士班培养了上百名工程技术人员，很多人已成长为高温气冷堆领域的中坚力量。

产学研融合体现在高温气冷堆攻关全过程、各方面，小到一张图纸、一个轴承，大到完整系统设计、关键主设备制造……协同攻关成功推动一批关键设备出校园、下产线、进市场，从图纸、样品变成了产品。

“高温气冷堆产业化需要攻关很多设备，很多情况和以前不一样，我们必须敢于创新，用新材料、新设备、新工艺来解决问题。”李富说，“这支大团队的一个特点就是较真。谁技术上说得对，我们就听谁的。”

这支团队中，很多人把大部分职业生涯献给了高温气冷堆事业。“项目做了20年，我们始终满怀信心。一辈子做成一件事，我们感到很幸福。”李富说。

关键词：模块式高温气冷堆,热力学循环,中核,李富,反应堆压力容器

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