“華龍一號”自主設(shè)計(jì)一年來取得進(jìn)展

“華龍一號”全球首堆示范工程——福清核電5號機(jī)組自2015年5月落地以來，工程建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性不斷優(yōu)化，目前已進(jìn)入全面建設(shè)階段。為保證工程里程碑節(jié)點(diǎn)按期或提前實(shí)現(xiàn)，“華龍一號”的設(shè)計(jì)者——中國核動力研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)與科研實(shí)驗(yàn)人員，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)“自主創(chuàng)新、勇攀高峰”的核動力院精神，用智慧、辛勤和汗水攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，收獲了無數(shù)個(gè)彌足珍貴、萬眾矚目的技術(shù)成果，創(chuàng)造了多個(gè)國內(nèi)乃至國際第一，與工程建設(shè)者們一起共同經(jīng)歷、見證和推動了“華龍一號”從設(shè)計(jì)圖紙到工程建設(shè)的落地和實(shí)施。

挑戰(zhàn)限值

——燃料組件滿足抗震要求

“華龍一號”核島廠房采用的是0.3g水平地面加速度作為抗震設(shè)計(jì)輸入標(biāo)準(zhǔn)，充分體現(xiàn)了三代核電技術(shù)的先進(jìn)性。“華龍一號”首堆開工之后，燃料組件等重要設(shè)備能否滿足0.3g抗震要求便成為急需解決的TOP10問題之一。這一挑戰(zhàn)前所未有。就在此之前3年多的時(shí)間里，根據(jù)中國核電工程有限公司先后提供的5版ACP1000堆型反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的樓層反應(yīng)譜，以及燃料組件導(dǎo)向管應(yīng)力及格架撞擊力計(jì)算結(jié)果都超過限值要求，經(jīng)設(shè)計(jì)人員多次、反復(fù)分析計(jì)算，均無法通過。但是為保證工程整體進(jìn)度，核動力院承擔(dān)力學(xué)分析工作的設(shè)計(jì)人員抱著“咬定青山不放松”的工作干勁，積極在最短的時(shí)間內(nèi)找到解決辦法。

通過專項(xiàng)小組積極與核電工程公司溝通協(xié)調(diào)，探討合理降低保守性的各種可行方案，自編多個(gè)接口和后處理程序以提高計(jì)算效率，經(jīng)過數(shù)百次反復(fù)試算分析后終于完成了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范的限值要求。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員又從未來安全審評的角度主動根據(jù)SRP3.7.1（美國標(biāo)準(zhǔn)審查大綱3.7.1）中對于譜轉(zhuǎn)加速度時(shí)程的要求，積極開展了進(jìn)一步的補(bǔ)充計(jì)算工作，終于在2016年6月完成了全部的校核計(jì)算工作，給“華龍一號”燃料組件抗震分析工作交上一份完美的答卷。

創(chuàng)新方法

——優(yōu)化輻照環(huán)境

優(yōu)化反應(yīng)堆廠房內(nèi)輻照環(huán)境，提升運(yùn)行條件下反應(yīng)堆廠房內(nèi)工作人員工作時(shí)間，是“華龍一號”重要的技術(shù)改進(jìn)方向。降低+16.5m操作平臺的輻射水平限值和屏蔽改進(jìn)，便是上述改進(jìn)的具體體現(xiàn)。+16.5m操作平臺由于與相關(guān)設(shè)備干涉大，留給屏蔽布置空間小，并且因增設(shè)堆腔冷卻水注入系統(tǒng)而導(dǎo)致輻射泄漏間隙擴(kuò)大，使問題的解決尤為困難。早在2015年獲知工程總包方提出了更為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求后，核動力院設(shè)計(jì)人員迅速行動起來——獨(dú)立開發(fā)了計(jì)算評價(jià)方法，首次將離散縱標(biāo)—蒙特卡羅耦合計(jì)算方法用于操作平臺劑量分析，在獲取現(xiàn)有反應(yīng)堆廠房輻射劑量率測量情況的基礎(chǔ)上開展了一系列計(jì)算校核工作，并證明了評價(jià)方法的合理性，打消了外界質(zhì)疑。在設(shè)計(jì)過程中與核電工程公司設(shè)計(jì)人員多次協(xié)調(diào)溝通，從基本的土建和設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)入手，逐步清理可能采取的屏蔽結(jié)構(gòu)，進(jìn)行不同屏蔽材料的比選，分析評價(jià)上百個(gè)設(shè)計(jì)方案的屏蔽分析結(jié)果和輻射泄漏路徑，并從中篩選了十余個(gè)方案進(jìn)行多專業(yè)影響聯(lián)合評價(jià)。2016年1月28日凌晨，在經(jīng)過足足16個(gè)小時(shí)的馬拉松式的會議后，終于確定了各方認(rèn)可的輻射劑量超標(biāo)問題可行性屏蔽設(shè)計(jì)初步解決方案，并最終將解決方案具體措施落在了反應(yīng)堆壓力容器金屬保溫層上。

新的輻射屏蔽要求，首先要做到保證金屬保溫層承擔(dān)原有保溫及冷卻水流道功能基礎(chǔ)要求，又要在此基礎(chǔ)上增添中子輻射屏蔽功能。全新的設(shè)計(jì)，緊迫的時(shí)間，為了盡快確定最終方案，設(shè)計(jì)人員制定了“以問題為導(dǎo)向查找并解決問題”的工作方法，在緊繃神經(jīng)、夜以繼日的全力攻關(guān)下，短時(shí)間內(nèi)便徹底理清出了屏蔽保溫層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前所面臨的技術(shù)問題，并基于此提出了全新的解決方案。為將方案真正盡快“落地”，設(shè)計(jì)人員還第一時(shí)間將自己的方案設(shè)計(jì)反饋給了國外保溫層供貨商，并就技術(shù)問題與對方進(jìn)行了討論分析。2016年3月，在設(shè)計(jì)人員的共同努力下，反應(yīng)堆壓力容器屏蔽保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終如期完成了定型。

全面提速

——華龍之“肺”漸養(yǎng)成

作為核電廠一、二回路的樞紐，蒸汽發(fā)生器猶如核電之“肺”。而作為核電廠最為關(guān)鍵設(shè)備之一的蒸汽發(fā)生器的自主研發(fā)，成為了“華龍一號”落地之后最為緊迫的任務(wù)，以解決“華龍一號”三代核電技術(shù)出口的瓶頸。在首堆開工短短一年時(shí)間內(nèi)，擁有完整知識產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦級ZH-65型蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)研發(fā)工作在設(shè)計(jì)研究、驗(yàn)證試驗(yàn)、關(guān)鍵材料研制、軟件研發(fā)等4個(gè)大的領(lǐng)域全面提速。

2015年6月15日，李克強(qiáng)總理在北京與“華龍一號”ZH-65型蒸汽發(fā)生器的制造現(xiàn)場進(jìn)行了連線，給予了設(shè)計(jì)人員及制造者極大鼓舞。

2015年10月，蒸汽發(fā)生器流致振動試驗(yàn)完成。這是國內(nèi)首次針對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行的管束流致振動大型水力試驗(yàn)，驗(yàn)證了ZH-65型蒸發(fā)器有著優(yōu)良的抗流致振動特性。

2015年12月，蒸汽發(fā)生器熱態(tài)綜合性能試驗(yàn)完成。這是亞洲最大的蒸汽發(fā)生器專用高溫高壓熱工水力回路試驗(yàn)，標(biāo)志著ZH-65型蒸發(fā)器設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)工作已全面順利完成，也標(biāo)志著核動力院全面掌握了三代核電蒸汽發(fā)生器研發(fā)及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，具備了完整的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）研發(fā)能力，對實(shí)現(xiàn)“華龍一號”技術(shù)出口具有重大意義。

2016年2月4日，“華龍一號”ZH-65型蒸汽發(fā)生器制品評定技術(shù)審查會召開，標(biāo)志著ZH-65型蒸發(fā)器相關(guān)的材料研制、零部件研發(fā)評定工作也已全面順利完成。

2016年3月3日，ZH-65型蒸汽發(fā)生器在東方 電氣（廣州）重型機(jī)器有限公司順利進(jìn)入清潔室開始穿管，標(biāo)志著國內(nèi)首型具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)并經(jīng)過各項(xiàng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)綜合驗(yàn)證的百萬千瓦級蒸汽發(fā)生器的制造進(jìn)入了最關(guān)鍵的階段。

在這一年間，為了協(xié)助國內(nèi)制造廠掌握新型蒸汽發(fā)生器的制造關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)人員長期在制造現(xiàn)場蹲守，審查了數(shù)以千計(jì)的技術(shù)文件。蒸汽發(fā)生器的制造在如此短的時(shí)間內(nèi)已推進(jìn)至穿管，這一奇跡般的制造速度就是在成熟的翻版設(shè)計(jì)中亦屬罕見。核動力院自主設(shè)計(jì)的ZH-65型蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)之精良以及設(shè)計(jì)的成熟性由此可見一斑。

實(shí)地研發(fā)

——設(shè)計(jì)驗(yàn)證一體化堆頂

“華龍一號”一體化堆頂結(jié)構(gòu)是三代非能動核電技術(shù)的重要創(chuàng)新之一，其結(jié)構(gòu)的研發(fā)具有相當(dāng)?shù)碾y度，其中，一體化堆頂冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和堆頂結(jié)構(gòu)1:1通風(fēng)試驗(yàn)更是難中之難。為了研制出滿足功能要求且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一體化堆頂冷卻結(jié)構(gòu)，課題組人員對世界主要核電堆型的堆頂冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，并結(jié)合“華龍一號”自身的具體情況設(shè)計(jì)出了具有先進(jìn)性的一體化堆頂冷卻結(jié)構(gòu)方案，在經(jīng)過大量、反復(fù)的設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-重新設(shè)計(jì)-再次驗(yàn)證后，在較短時(shí)間內(nèi)掌握了冷卻結(jié)構(gòu)流場分析方法，完成了冷卻結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，為冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考和指導(dǎo)。

為驗(yàn)證堆頂冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，開展通風(fēng)試驗(yàn)必不可少。一體化堆頂結(jié)構(gòu)1：1通風(fēng)試驗(yàn)在國內(nèi)乃至全球均屬首次。2016年3月進(jìn)行了堆頂通風(fēng)試驗(yàn)的初步試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能。本著精益求精的精神，課題組技術(shù)人員與工廠試驗(yàn)人員一起對探測器的布置位置、風(fēng)管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并經(jīng)常上下于7米多高的試驗(yàn)臺架，對風(fēng)機(jī)、探測器等設(shè)備進(jìn)行實(shí)地考察。為了不影響工廠的正常運(yùn)行，堆頂通風(fēng)試驗(yàn)只能在夜間或周末進(jìn)行，課題組人員對此毫無怨言，主動放棄休息時(shí)間。辛苦付出終于得到了應(yīng)有的回報(bào)——2016年6月，堆頂結(jié)構(gòu)通風(fēng)試驗(yàn)順利完成，為一體化堆頂結(jié)構(gòu)的最終方案定型提供了有力的保障。

全面國產(chǎn)化

——專用設(shè)備研發(fā)供貨屢有斬獲

為了“華龍一號”在示范工程項(xiàng)目中更加完美的“亮相”，專用設(shè)備的全面國產(chǎn)化是其中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

核動力院在多年核電專用設(shè)備研發(fā)與供貨的基礎(chǔ)上，加緊了“華龍一號”三代核電專用設(shè)備與產(chǎn)品的研制。自2014年11月以來，松脫部件和振動監(jiān)測系統(tǒng)（KIR系統(tǒng)）、控制棒驅(qū)動電源（RAM系統(tǒng)）、主管道和波動管LBB泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)、硼濃度監(jiān)測系統(tǒng)等一批核電專用設(shè)備和產(chǎn)品，相繼在福清5、6號機(jī)組和巴基斯坦K2、K3機(jī)組“華龍一號”示范工程項(xiàng)目中獲得訂單，不但實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化核電設(shè)備與產(chǎn)品在三代核電技術(shù)上的應(yīng)用，還走出了國門，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)軍海外核電設(shè)備市場的夙愿。

2016年3月，福清5、6號機(jī)組和K2、K3機(jī)組的硼表探測裝置，成功通過了抗震鑒定試驗(yàn)。5月，順利實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目開工，確保了“華龍一號”硼表的按期供貨。

2016年4月，“華龍一號”核電機(jī)組重要的配套設(shè)備之一的主管道和波動管LBB泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)樣機(jī)，順利通過抗震試驗(yàn)鑒定，系統(tǒng)研制取得重大進(jìn)展。同時(shí)，設(shè)備供貨項(xiàng)目順利通過中國核電工程有限公司、中國中原對外工程有限公司組織的沙盤推演，為消除研制供貨中的風(fēng)險(xiǎn)掃清了障礙。

塑造“中國魂”

——自主軟件邁向V2.0

2015年12月17日，針對“華龍一號”量身打造，我國首套自主研發(fā)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、功能完善、理論先進(jìn)、配套齊全的核電專用設(shè)計(jì)與分析軟件包（NESTOR1.0）在北京正式發(fā)布。這一發(fā)布讓“華龍一號”真正有了“中國魂”。為進(jìn)一步推動“華龍一號”出海進(jìn)程，提升軟件包自身的成熟度和研發(fā)進(jìn)度，核動力院在2016年又再接再厲、不斷進(jìn)取，持續(xù)推進(jìn)了軟件研發(fā)與數(shù)字化集成研發(fā)平臺的研制工作，以“華龍一號”ACP系列等反應(yīng)堆工程為對象，深入開展了NESTOR軟件的工程應(yīng)用工作。當(dāng)前，NESTOR1.0軟件包正逐步地在面向國內(nèi)外的“華龍一號”為代表的三代核電工程設(shè)計(jì)中得到深入應(yīng)用。同時(shí)，在NESTOR軟件V1.0的基礎(chǔ)上完成了一系列更為先進(jìn)模型的軟件研發(fā)，在復(fù)雜幾何組件參數(shù)處理等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破，獲得理論模型更為先進(jìn)、功能更為強(qiáng)大、界面更加友好的V2.0版本軟件10余項(xiàng)。

此外，NESTOR研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步確立了完善的數(shù)字化研發(fā)體系，建成了國內(nèi)首個(gè)專業(yè)化的數(shù)字化反應(yīng)堆技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，極大地提升了核電反應(yīng)堆工程的協(xié)同設(shè)計(jì)水平與效率。

全面突圍

——CF燃料組件具備國際競爭力

核燃料元件是核電站的關(guān)鍵部件。作為滿足 “華龍一號”出口所需要的CF系列燃料組件，由核動力院牽頭研發(fā)，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，伴隨著我國核電自主化的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)了全面突圍。尤其是“華龍一號”落地一年以來，成績卓著、引人矚目，自2014年7月10日4組CF3燃料組件先導(dǎo)組件入堆以來，截至2016年2月，N36特征化組件完成三個(gè)循環(huán)的輻照考驗(yàn)、CF2燃料組件完成第二個(gè)循環(huán)輻照考驗(yàn)、CF3燃料輻照考驗(yàn)組件完成第一循環(huán)的輻照考驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，整體性能良好。

針對CF系列燃料組件應(yīng)用于“華龍一號”核電站的適用性工作，2016年上半年，設(shè)計(jì)人員開展了華龍融合的論證工作。相關(guān)分析和論證結(jié)果表明，CF系列燃料組件從各方面均完全滿足“華龍一號”核電站的需求。另外，經(jīng)過CF3燃料組件產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究，計(jì)劃于近期實(shí)現(xiàn)20組CF3燃料組件在國內(nèi)百萬千瓦級商用堆上批量應(yīng)用，達(dá)到年產(chǎn)200組CF系列燃料組件的生產(chǎn)能力，且制造成本具有競爭力。（作者系中國核動力研究設(shè)計(jì)院文杰 范春莉 陳浩）