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“国和一号”:树三代核电自主创新标杆

来源:科技日报 时间:2022-03-09


“国和一号”示范工程效果图国家电力投资集团有限公司供图

  风雨十二载,“国和一号”通过产学研用协同创新,成功打破多项材料及设备制造技术垄断,关键设备材料全部实现自主化设计和国产化制造,性能达到国际领先水平。我国三代核电自主创新体系和产业链供应体系的建成,标志着我国核电技术实现了从“二代”到“三代”的跨越,已具备先进核电自主化、批量化、规模化建设能力。

  2月28日,“国和一号”产业链联盟成立大会暨首届会员大会在上海举行。

  在“国和一号”示范工程按计划稳步推进的同时,“国和一号”产业链联盟的成立,被视为进一步实现产业链自立自强、自主可控的重要举措。

  “国和一号”是我国在引进消化吸收三代非能动压水堆核电技术的基础上,通过大型先进压水堆及高温气冷堆核电站国家科技重大专项开发的、具有自主知识产权的大型先进压水堆核电型号。

  2008年,“国和一号”(又名CAP1400)研发工作正式启动。历时12年,国家电力投资集团有限公司作为牵头单位,组织全国600多家单位、31000余名技术人员参与,累计形成知识产权成果超7611项,建成了我国三代核电自主创新体系和产业链供应体系,标志着我国核电技术实现了从“二代”到“三代”的跨越,具备先进核电自主化、批量化、规模化建设能力。

  传承“国之光荣”的三代核电

  1970年春节前,上海市领导向中央汇报工作时,道出了当时上海面临的严峻形势:多家工厂由于缺电轮流停产。2月初,周恩来总理做出指示:从长远来看,要解决上海和华东地区用电问题,要靠核电。

  核电,是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能。一颗原子核,直径只有一根头发丝的一亿分之一,却蕴藏着惊人能量。1千克的铀235裂变以后产生的能量,大致相当于2700吨标准煤充分燃烧释放的热量。

  1970年2月8日,上海市组织传达了周总理关于建设核电的指示精神并研究了落实措施,我国第一座核电站工程由此得名“728工程”。

  从“728工程”开始,我国核电已经走过了50多年的奋进创新之路。

  “第一代核电技术主要是以实验研究堆为主。第二代核电技术主要发展阶段是20世纪60年代初到1979年以前,该阶段技术建成的核电称为二代。”国家电力投资集团有限公司核能总工程师、“国和一号”总设计师郑明光说,“美国三里岛核事故发生后,全球对核电安全的认识进一步提升,先进核电国家针对核电设计、运行安全等方面进行了充分认识与分析评估,提出了一系列改进、增强安全性的措施,三代核电技术应运而生。”

  十余载打造大国重器

  然而首先摆在面前的,就是一个看似难以逾越的障碍——根据外方的合作协议,只有电功率超过135万千瓦,我国才能拥有三代非能动核电的自主知识产权。

  “135万千瓦,对非能动安全、主要设备来说是个‘大门槛’。不掌握核心技术,这个‘大门槛’就过不去。”郑明光说。

  以郑明光为代表的技术团队,对“国和一号”顶层设计方案进行了全局性的创新,包括增加钢制安全壳的直径和厚度以扩大核岛空间,重新设计研制反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、爆破阀和汽轮发电机,大幅度优化主泵流量、主管道流通截面等,实现型号总体安全经济性能和效率的全面提升。

  一组数据能直观反映“国和一号”缘何是名副其实的“国之重器”:单台机组中,超过100吨的设备、模块有30件左右,最大的模块体积有5000多立方米,重达1400多吨;安全壳是个直径40多米,高70多米的“大胶囊”,用5厘米厚左右的钢板制成,每平方米可承受40吨以上的压力;蒸汽发生器里面有1万多根用于热交换的U型管,总长超过300公里……

  科研人员为此付出了艰辛努力。

  晚上10时许,上海核工院的办公楼里响起了悠扬的萨克斯音乐《回家》,工程设备所机械设备设计工程师陈宇清在电脑前置若罔闻,仍在细心地比对技术文件和图纸。

  熟悉的夜晚,熟悉的音乐,熟悉的加班。

  2015年,陈宇清承担起“国和一号”控制棒驱动线试验的技术攻关任务。为保证试验的准确性,任何外界,包括附近行驶车辆的干扰都要尽量避免。陈宇清带头从晚上8点钟开始做试验,直到凌晨3点钟结束。

  看凌晨4点的上海,成了陈宇清的常态。他连续在试验台架处驻守了一个多月,最终圆满完成任务,为三代核电控制棒驱动机构自主设计奠定了坚实基础。

  2016年2月,“国和一号”通过国内联合安全审评。同年4月,“国和一号”通过国际原子能机构通用安全审评,获得国际认可。

  类似的奋斗图景,在“国和一号”科技攻关历程中,发生了太多回。无数个“陈宇清”毫无怨言地付出了青春与热血。

  为实现核电软件自主化,国家电投中央研究院核电软件中心和上海核工院组建的联合团队历经十余载攻关,发布我国首套完全自主知识产权的核电厂核设计与安全分析软件COSINE工程测试版,得到行业普遍认可。

  设备设计出来后却找不到能生产的厂家,也是一道大难题。其中,蒸汽发生器690U型管的研发生产就格外艰难。项目组最早想去国外采购,多次尝试未果,干脆横下心来自己做。一家能生产还不够,要几家都能做才行。

  “每一种设备、材料的技术开发,都布局2至5家有竞争力与积极性的单位参与研制,我们从设计技术到制造技术与工艺来回多次迭代,引入竞争机制,用市场化的手段来推动相应的技术竞争,激发创新活力。”郑明光告诉科技日报记者。

  共同成长打造自主创新体系

  柴多火旺,力众海移。

  一重、二重、沈鼓、哈电、上海电气、东方电气、中船重工、中航工业、宝钢、鞍钢……一大批身经百战的老牌“国家队”选手,和上上电缆、宁波天生等民企加入进来,锚定100%国产化,扛起重任。

  通过产学研用协同创新,“国和一号”成功打破多项材料及设备制造技术垄断,主泵、爆破阀、反应堆压力容器、蒸汽发生器、反应堆本体及一体化堆顶组件、大锻件、核级锆材、690U型管等关键设备材料全部实现自主化设计和国产化制造,性能达到国际领先水平。

  全球最大功率的蒸汽发生器、全球最大规格的爆破阀……一个个用“全球之最”来形容的高精尖设备,被烙上“中国印”、盖上“中国籍”。

  通过设计工作牵引制造企业能力提升,又通过制造过程的经验反馈反哺设计水平提高,在相互作用、共同成长中,“国和一号”建成了先进的三代核电自主创新体系和产业链供应体系。郑明光表示,到2023年,“国和一号”将全面实现100%设备国产化能力,到2025年,建成“技术上最先进最安全、装备上完全自主可控、经济上有显著竞争优势”的三代核电产业链。

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