高溫氣冷堆，從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

這是全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的第四代核電站，也是國(guó)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(zhǎng)，我國(guó)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(guó)在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhēng)取建造‘示范堆’，為我國(guó)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(guó)家在該領(lǐng)域積極布局并取得進(jìn)展。

“當(dāng)時(shí)，各國(guó)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(jiǎn)稱清華核研院）副院長(zhǎng)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(guó)有一座，日本也有一座，還有多個(gè)國(guó)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(guó)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(jiǎn)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(guó)家科技重大專項(xiàng)。2008年，高溫氣冷堆總體實(shí)施方案獲國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)、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(chǎng)漫長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)、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(zhǎng)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(guó)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(guó)內(nèi)多家高校院所、國(guó)有企業(yè)、民營(yíng)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(guó)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(jiǎn)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(gòu)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(zhǎng)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(chǎng)，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。（記者谷業(yè)凱）