按照計劃，“華龍一號”全球首堆示范工程——中核集團(tuán)福清核電5號機(jī)組將于近期進(jìn)行不裝核燃料的冷態(tài)功能試驗，即所謂的“冷試”，這是對機(jī)組性能的第一次全面考驗。來自中國核動力研究設(shè)計院的專家日前接受了獨(dú)家專訪，揭示了“華龍一號”背后的“成龍”之路。
挺直腰桿 “華龍一號”完全“中國芯”
20世紀(jì)90年代初，我國自行設(shè)計、建造和運(yùn)行管理的第一座30萬千瓦壓水堆核電站——秦山核電站投入運(yùn)營。上文所述的1997年的那次討論發(fā)生時，秦山核電站的二期主體工程正在建設(shè)，工程設(shè)計裝機(jī)容量為兩臺65萬千瓦壓水堆核電機(jī)組。
“華龍一號”副總設(shè)計師、核反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)總設(shè)計師劉昌文參與了那次討論，“雖然秦山二期還在建設(shè)，但那時大家已經(jīng)在討論，什么時候中國能有自己的百萬千瓦核電機(jī)組。”劉昌文回憶說。
在核電站中，核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生反應(yīng)放出核能，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)，帶動與汽輪機(jī)同軸的發(fā)電機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)核能到熱能再到電能的熱量轉(zhuǎn)換。其中的核燃料就好像一大把插在筷子籠里的筷子，這些“筷子”的數(shù)量以及排列方式，是一個核電機(jī)型最核心最重要的特征之一。
在國外的“121堆芯”“157堆芯”等技術(shù)的基礎(chǔ)上，1997年的那次討論創(chuàng)新性地提出了“177堆芯”的概念。雖然此后基于這一概念的核電機(jī)型經(jīng)歷了參研單位調(diào)整、技術(shù)要求變化、技術(shù)方案優(yōu)化等歷程，但直到“華龍一號”，“177堆芯”這一核心特征仍然未變，這一設(shè)計不僅可使核電機(jī)組的發(fā)電功率得到5%至10%的提升，同時也降低了堆芯內(nèi)的功率密度，提高了核電站的安全性。
“華龍一號”的另一個重要特點就是采用了“能動+非能動”的安全系統(tǒng)設(shè)計。所謂“能動”，即靠電來驅(qū)動安全系統(tǒng)，保障核電站運(yùn)行，但如果在極端情況下，核電站斷電了，這時“非能動”就能派上用場，依靠重力、溫差和壓縮空氣等自然力來驅(qū)動安全系統(tǒng)，通過蒸發(fā)、冷凝、對流、自然循環(huán)等自然過程來帶走熱量。
據(jù)了解，國際上眾多核電型號中，有的強(qiáng)調(diào)“能動”，給安全系統(tǒng)做“加法”，增加冗余，有的型號則強(qiáng)調(diào)“非能動”。“華龍一號”融合了兩者，既有“能動”的成熟穩(wěn)定，也有“非能動”在喪失電源情況下的獨(dú)特優(yōu)勢。
“除了‘177堆芯’和‘能動+非能動’，‘華龍一號’還有一個重要特點，它是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核電型號，共獲得七百余件專利和一百余項軟件著作權(quán)，覆蓋了設(shè)計技術(shù)、專用設(shè)計軟件、燃料技術(shù)、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)等眾多領(lǐng)域。中國核電人可以挺直腰桿，送‘華龍一號’出海。”劉昌文說。
“硬懟”偏見 不眠不休攻堅核心技術(shù)
行走在福清核電5號機(jī)組的核島內(nèi)部，三個20米高的巨大白色圓柱體裝置分外顯眼，它們的學(xué)名叫“蒸汽發(fā)生器”，是核電站的主設(shè)備之一。
蒸汽發(fā)生器地處核電站一回路系統(tǒng)與外部的“兩省交界”，堆芯產(chǎn)生的高溫高放射性的水流淌在蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的傳熱管中，這些水在此將外部沒有放射性的水加熱，產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而發(fā)電，它又被稱為“核電之肺”，只是與人體不同，在這個“肺”中交換的是熱量。
蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部零件超過一萬個，價格昂貴，動輒就上億元人民幣，以往大型核電站的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán)掌握在美國、法國的少數(shù)幾家設(shè)計公司手中。
在“華龍一號”的設(shè)計早期，相關(guān)方面曾經(jīng)跟外國的公司談，打算購買他們的三代核電蒸汽發(fā)生器技術(shù)，對方有錢賺自然樂見其成。然而，協(xié)議中有一個條款始終談不下來。對方堅持，將來使用了這種蒸汽發(fā)生器技術(shù)的核電技術(shù)如果要出口，必須經(jīng)過其同意。
“相當(dāng)于我購買了你的輪胎來造汽車，我賣車的時候還必須通過你同意?”劉昌文回憶起當(dāng)時的境況仍然難掩氣憤。
中國核動力研究設(shè)計院此后自籌資金，組建攻關(guān)團(tuán)隊，從事蒸汽發(fā)生器設(shè)計研究近30年的專家張富源擔(dān)任攻關(guān)組組長兼專家組組長。
研制蒸汽發(fā)生器，需要合適的蒸汽來測試設(shè)備性能，據(jù)張富源回憶，當(dāng)時在河南南陽油田找到符合條件的蒸汽后，為了利用好寶貴的用汽“窗口”時間，實驗連續(xù)進(jìn)行，科研人員常常需要24小時守在野外冰天雪地的試驗現(xiàn)場，啃饅頭、泡方便面更是常事。
結(jié)構(gòu)設(shè)計、知識產(chǎn)權(quán)、性能驗證、軟件設(shè)計、關(guān)鍵材料國產(chǎn)化、制造技術(shù)國產(chǎn)化等技術(shù)難關(guān)被連續(xù)攻克，僅僅27個月后，用于“華龍一號”的第三代核電ZH-65型蒸汽發(fā)生器問世，相比之下，美國、法國制造首臺三代核電蒸汽發(fā)生器的時間用了將近40個月。與此同時，與國外三代核電蒸汽發(fā)生器相比，ZH-65型蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽壓力更高、蒸汽濕度更低、經(jīng)濟(jì)性更好。
蒸汽發(fā)生器只是一個縮影，先進(jìn)堆芯測量系統(tǒng)、核燃料組件包殼材料……不再被“卡脖子”的故事在“華龍一號”的身上比比皆是。
驟遇“天災(zāi)”好事多磨精益求精
技術(shù)上的難題，終究可以解決。但“華龍一號”前進(jìn)的過程并非一帆風(fēng)順，也曾因外界的不可抗力，踩過急剎車。
2011年2月28日，“華龍一號”的前身——CP1000開始進(jìn)行安全審查，順利結(jié)束后，在3月8日準(zhǔn)備開始現(xiàn)場負(fù)挖。然而，3月11日，日本東北部和關(guān)東首都圈發(fā)生里氏9級強(qiáng)震，并引發(fā)海嘯，日本福島第一核電站發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏事故。受其影響，我國暫停審批核電項目包括開展前期工作的項目，同時，全面審查在建核電站，切實排查安全隱患，確保絕對安全。
“想起來都心酸，‘華龍一號’真是好事多磨。”劉昌文說，“就好像婚禮上迎親的隊伍已經(jīng)出去了，突然這婚不結(jié)了。對一些技術(shù)人員來說打擊很大，畢竟從1997年開始，十余年的辛苦工作，戛然而止。但是喝悶酒也解決不了問題，大家就相互打氣，相互鼓勵，對標(biāo)世界上最先進(jìn)的技術(shù)和最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)我們的‘華龍一號’。”
此后科研人員對“華龍一號”進(jìn)行了一系列安全升級。比如通過技術(shù)改進(jìn)延長反應(yīng)堆操縱員不干預(yù)的時間，最長可以達(dá)到72小時。如果出現(xiàn)事故，通過系統(tǒng)自身的作用能夠讓反應(yīng)堆處在一個安全狀態(tài)，避免人為操作失誤。另外還增加了移動消防水泵、移動柴油發(fā)電機(jī)等應(yīng)急設(shè)施。
“華龍一號”可以抵御目前已出現(xiàn)過的所有臺風(fēng)級別，可以抵御9級烈度的地震以及商用大型飛機(jī)的外部撞擊。另外，福清核電站三面環(huán)海，但都是淺海，排水設(shè)施完備，可及時排水、排洪，從選址的角度已經(jīng)充分考慮到海嘯影響的問題。
2015年5月7日， “華龍一號”示范工程——中核集團(tuán)福清5號核電機(jī)組正式開工建設(shè)，工期規(guī)劃了62個月。直到今天，其建設(shè)進(jìn)度都是滿足各個時間節(jié)點的要求的，“首堆必拖延”的核電魔咒沒有出現(xiàn)。
按照計劃，“華龍一號”首堆將于近期進(jìn)行不裝核燃料的冷態(tài)功能試驗，即所謂的“冷試”，這是對機(jī)組性能的第一次全面考驗，而后便是熱態(tài)功能試驗，如果一切順利，年底就能裝入核燃料，預(yù)計2020年投入商運(yùn)。
“‘華龍一號’遇到的困難太多了，就像爬山，”劉昌文笑著說，“爬到山頂上回頭一看，才發(fā)現(xiàn)爬了這么高，還真的不容易，但過程中只是一門心思不斷前進(jìn)。”
