編者按
國家科技重大專項高溫氣冷堆核電站示范工程（以下簡稱“高溫堆示范工程”）經(jīng)過9年施工建設(shè)，于12月20日首次并網(wǎng)發(fā)電。這是我國先進(jìn)核電技術(shù)自主創(chuàng)新取得新勝利的一步，也是我國核能領(lǐng)域堅持科技自立自強(qiáng)、推動落實“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)和中國核工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要成果。
 
高溫堆示范工程從科研設(shè)計、施工建設(shè)，到球形核燃料元件和重要裝備研制，最終成功并網(wǎng)發(fā)電。各相關(guān)領(lǐng)域有兩三代核能人為此奉獻(xiàn)了青春和智慧。《中國核能》自2021年第四期起隆重推出“見證——高溫堆進(jìn)行時”專題系列報道，講述高溫堆示范工程建設(shè)者們書寫青春、揮灑汗水，全力以赴鑄就國之重器的奮斗故事。讓我們啟航去見證這些非凡的成就！
 
2021年12月20日，國家科技重大專項——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程1號反應(yīng)堆完成發(fā)電機(jī)初始負(fù)荷運(yùn)行試驗評價，首次并網(wǎng)成功，發(fā)出第一度電。這是全球首個并網(wǎng)發(fā)電的具有四代特征的高溫氣冷堆核電示范項目，標(biāo)志著我國成為世界少數(shù)幾個掌握第四代核能技術(shù)的國家之一，意味著在該領(lǐng)域我國成為世界核電技術(shù)的領(lǐng)跑者。
 
這一刻，凝聚著以清華大學(xué)為代表的高溫氣冷堆設(shè)計團(tuán)隊幾代人篳路藍(lán)縷、艱苦奮斗的汗水和心血，也凝聚著中國華能作為高溫堆示范工程業(yè)主，發(fā)揮企業(yè)創(chuàng)新主體作用、推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新的艱苦努力。
 
從無到有，勇闖四代核電“無人區(qū)”
 
在國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃的支持下，上世紀(jì)80年代，以王大中院士為代表的清華大學(xué)科研團(tuán)隊率先開展了10MW高溫氣冷實驗堆的研究與開發(fā)工作。研究團(tuán)隊充分發(fā)揮自力更生、艱苦創(chuàng)業(yè)的工作作風(fēng)，先后攻克高溫氣冷堆工業(yè)放大與工程實踐驗證技術(shù)、高性能燃料元件批量制備技術(shù)、氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電等技術(shù)難題。2000年12月，實驗堆首次臨界，2003年1月實現(xiàn)了滿功率發(fā)電運(yùn)行。至此，高溫氣冷堆技術(shù)轉(zhuǎn)化成商業(yè)堆應(yīng)用、實現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的條件基本成熟。
 
2003年，200MW高溫氣冷堆核電站示范工程被列為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020）》中的十六個科技重大專項之一。2004年，中國華能集團(tuán)、中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司、清華大學(xué)簽署了合作建設(shè)高溫氣冷堆核電站示范工程的框架協(xié)議，正式拉開了建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電功率200MW的世界首座高溫氣冷堆核電站示范工程的帷幕，對促進(jìn)我國核能利用技術(shù)進(jìn)步、占領(lǐng)世界未來核電技術(shù)的制高點具有重要戰(zhàn)略意義。
 
2012年12月31日，高溫氣冷堆示范工程正式開工建設(shè)。在長達(dá)9年的攻堅過程中，華能集團(tuán)通過緊抓設(shè)計龍頭、高效配置資源、多元主體聯(lián)動等各項措施和手段，有力保證了一大批原創(chuàng)性、創(chuàng)新性技術(shù)得以實現(xiàn)工程轉(zhuǎn)化和驗證，帶動全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)多個中國首創(chuàng)、世界首創(chuàng)，為搶占核電產(chǎn)業(yè)制高點、落實“雙碳”目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
 
安全高效，彰顯技術(shù)可靠先進(jìn)
 
200MW高溫氣冷堆核電站示范工程采用球床型模塊式高溫氣冷堆“兩堆帶一機(jī)”技術(shù)方案，總熱功率為500MW，電功率為211MW，熱效率達(dá)到40%以上，具有固有安全性、系統(tǒng)簡單、發(fā)電效率高、不停堆換料、模塊化建造、用途廣泛等特點，是國際核能領(lǐng)域公認(rèn)的第四代核能系統(tǒng)候選堆型之一。其主要技術(shù)特點如下：
 
1.燃料元件固有安全
 
高溫氣冷堆示范工程采用全陶瓷包覆顆粒球形燃料元件，具有優(yōu)異的高溫阻留放射性裂變產(chǎn)物釋放的能力；堆芯功率密度低，在任何事故工況下都能夠依靠自然機(jī)制保證燃料的最高溫度不超過限值溫度，因此具有固有安全特性，不會發(fā)生堆芯熔化、放射性物質(zhì)大量外泄的事故。
 
2.堆芯冷卻劑性能優(yōu)異
 
高溫氣冷堆示范工程使用氦氣作為一回路冷卻劑。氦氣具有良好的核物理性能：它的宏觀中子吸收截面可以忽略，無相變，傳熱和載熱性能好；同時，氦氣是單原子氣體，化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，不會發(fā)生輻照分解且容易凈化；另外，氦氣中有微量的同位素He-3，He-3 的中子俘獲反應(yīng)為熱中子反應(yīng)，反應(yīng)截面很大。
 
3.堆芯設(shè)計可靠
 
高溫氣冷堆示范工程堆芯分為陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件和金屬堆內(nèi)構(gòu)件，反應(yīng)堆堆芯周圍全部為石墨和含硼碳磚組成的陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件。利用其吸收中子能力和絕熱性能來降低反應(yīng)堆壓力容器和金屬堆內(nèi)構(gòu)件底部的熱中子輻照和工作溫度，石墨、碳磚自身可以承受極高的溫度，熱容量大。
 
4.余熱排出簡單高效
 
高溫氣冷堆根據(jù)“非能動安全性”原則進(jìn)行熱工設(shè)計，使得在事故停堆后，堆芯的冷卻不需要專設(shè)能動的余熱排出系統(tǒng)，燃料元件的剩余發(fā)熱可依靠熱傳導(dǎo)、熱輻射等非能動的自然傳熱機(jī)制將熱量散到周圍環(huán)境中去。這種非能動的余熱排出系統(tǒng)排除了高溫氣冷堆堆芯熔化事故的可能性。
 
5.反應(yīng)性控制雙管齊下
 
高溫氣冷堆示范工程設(shè)置兩套依據(jù)不同工作原理、相互獨立的反應(yīng)性控制和停堆系統(tǒng)，即控制棒系統(tǒng)（ 第一停堆系統(tǒng)，熱停堆 ）和吸收球停堆系統(tǒng)（ 第二停堆系統(tǒng)，冷停堆 ），位于石墨側(cè)反射層的孔道中，緊急情況下依靠自身重力下落，實現(xiàn)反應(yīng)堆安全停閉。
 
6.燃料循環(huán)連續(xù)裝卸
 
高溫氣冷堆示范工程燃料裝卸系統(tǒng)利用重力落球和氣力提升兩種方式可實現(xiàn)球形燃料元件在不停堆情況下連續(xù)裝卸和多次循環(huán)，保證反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行，提高了燃料管理的靈活性，減少了反應(yīng)堆的大修時間。
 
聚力攻堅，突破核心設(shè)計難題
 
高溫氣冷堆示范工程作為具有第四代核電技術(shù)特征的世界首座商用電站，技術(shù)上以自主研發(fā)為主，具有“產(chǎn)、學(xué)、研、用為一體”的特點。建設(shè)初期由于工程技術(shù)不成熟，無參考電站可學(xué)習(xí)，只能按照邊設(shè)計、邊研發(fā)、邊施工的模式逐步推進(jìn)，工程舉步維艱，項目費用不斷增加。面對擋在面前的一座座大山，華能核電人充分發(fā)揚(yáng)逢山開路、遇水搭橋的開拓精神，團(tuán)結(jié)帶領(lǐng)各方團(tuán)隊充分發(fā)揮我國完整核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，抓住關(guān)鍵環(huán)節(jié)，運(yùn)用新原理、新技術(shù)、新方法、新工藝、新材料，攻堅克難、集智攻關(guān)，成功解決反應(yīng)性控制、燃料裝卸、主氦風(fēng)機(jī)等“卡脖子”的關(guān)鍵核心技術(shù)難題，取得了高溫氣冷堆示范工程技術(shù)的重大突破。
 
1.反應(yīng)性控制方案調(diào)整，竭盡全力保安全、保進(jìn)度
 
如果把核電廠比作一輛汽車，那么反應(yīng)性控制方案就是汽車的油門和剎車，直接決定了汽車能不能開得動、停得下。在設(shè)計之初，反應(yīng)性控制方案為單堆8套控制棒與11套吸收球共同控制啟停堆、功率調(diào)節(jié)，控制操作復(fù)雜，且吸收球達(dá)不到功率調(diào)節(jié)要求。設(shè)計團(tuán)隊經(jīng)過充分論證，反復(fù)試驗，將反應(yīng)性控制方案調(diào)整為24套控制棒進(jìn)行啟停堆、功率調(diào)節(jié)，6套吸收球僅輔助實現(xiàn)檢修停堆。同時對吸收球停堆系統(tǒng)落球方案進(jìn)行調(diào)整，修改部分機(jī)械部件,將驅(qū)動器及機(jī)柜安全等級由常規(guī)級修改為安全級，提高了吸收球停堆系統(tǒng)的動作可靠性。
 
反應(yīng)性控制方案變更是涉及到核安全的重大變更，需上報國家核安全局批復(fù)同意后才能開展。為保障安全質(zhì)量和審評進(jìn)度，石島灣公司派員專項負(fù)責(zé)，深入?yún)⑴c驗證試驗，及時完成審評答復(fù)。此外，反應(yīng)性控制方案變更對反應(yīng)堆壓力容器、金屬堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒、吸收球、電氣貫穿件、儀控系統(tǒng)等設(shè)備產(chǎn)生影響，部分設(shè)備已下料生產(chǎn)，變更后需報廢、重新制作，費用增加近五千萬，壓力容器交貨延遲6.5個月，金屬堆內(nèi)構(gòu)件交貨延遲5個月。面對設(shè)備制造質(zhì)量、到貨進(jìn)度、費用增加等重重壓力，石島灣核電人沒有被嚇倒，而是迎難而上，組織總包方、設(shè)備廠家梳理受影響設(shè)備范圍，編制進(jìn)度計劃，分析優(yōu)化制造邏輯，充分調(diào)動各方資源保證設(shè)備盡快到貨。最終，各項設(shè)備如期到貨、安裝、調(diào)試、試運(yùn)行，所有設(shè)備經(jīng)受住了工程考驗，運(yùn)轉(zhuǎn)良好。這應(yīng)該就是背后默默付出的設(shè)計人最希望得到的答案！
 
2.主氦風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，精英匯聚齊攻堅、共克難
 
主氦風(fēng)機(jī)作為高溫氣冷堆冷卻劑系統(tǒng)的主要動力源，其作用相當(dāng)于壓水堆系統(tǒng)的主泵，在反應(yīng)堆啟動、功率運(yùn)行和停堆等工況時，提供足夠流量的氦氣通過一回路系統(tǒng)，將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量帶走。整臺主氦風(fēng)機(jī)全部置于蒸汽發(fā)生器內(nèi)，為氦氣全浸入式設(shè)計。作為全世界首臺大功率、高溫?zé)釕B(tài)、采用電磁軸承結(jié)構(gòu)支撐的立式風(fēng)機(jī)，該設(shè)備填補(bǔ)了國內(nèi)大功率高轉(zhuǎn)速電機(jī)技術(shù)、電磁軸承技術(shù)應(yīng)用的空白，突破了大型立式機(jī)組的轉(zhuǎn)速范圍和結(jié)構(gòu)形式。
 
新技術(shù)的應(yīng)用總歸不是一帆風(fēng)順的。2017年10月，首臺主氦風(fēng)機(jī)在出廠試驗升溫過程中，出現(xiàn)了輔助軸承間隙異常情況。2018年5月，主氦風(fēng)機(jī)變頻器在試驗過程中發(fā)生了循環(huán)冷卻液電導(dǎo)率超標(biāo)問題。2018年10月，第二臺主氦風(fēng)機(jī)在電磁軸承調(diào)試過程中，出現(xiàn)振動異常無法升速的情況……每次問題的發(fā)生，各方團(tuán)隊都精誠合作、日夜排查。他們各司其職、各盡其能、緊密協(xié)作，如期攻克了主氦風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證、電機(jī)電磁設(shè)計驗證試驗、轉(zhuǎn)子120%超速驗證試驗、電磁軸承跌落試驗驗證、風(fēng)機(jī)擋板最大傳遞扭矩試驗驗證、傳熱驗證、200次啟停試驗驗證、主葉輪焊接、轉(zhuǎn)子動力學(xué)試驗驗證等眾多關(guān)鍵核心技術(shù)難題。主氦風(fēng)機(jī)設(shè)備的成功研發(fā)和制造，為高溫氣冷堆核電站的早日投產(chǎn)發(fā)電奠定了堅實的基礎(chǔ)。
 
3.燃料裝卸系統(tǒng)整改，千方百計固方案、促完善
 
燃料裝卸系統(tǒng)利用重力落球和氣動提升兩種方式可實現(xiàn)HTR-PM不停堆情況下的燃料裝卸與循環(huán)，是保證反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)大部分設(shè)備為首次研發(fā)的非標(biāo)設(shè)備，沒有同類型成熟電站和相關(guān)配套標(biāo)準(zhǔn)可供借鑒，且涉及接口眾多，系統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜。
 
燃料裝卸系統(tǒng)在預(yù)功能試驗過程中，2號堆燃耗測量定位分配器、橋聯(lián)器、碎球分離裝置、阻流器等設(shè)備發(fā)生過多次卡球故障，整改工作存在極大挑戰(zhàn)。2018年11月8日，初版方案提交后，審查發(fā)現(xiàn)該變更方案未考慮對堆芯物理、核燃料衡算、交保方案及后續(xù)維修等方面的影響，存在嚴(yán)重考慮不周的問題。而整改時間緊、任務(wù)重，如未能及時完成方案固化，將對后續(xù)工作產(chǎn)生重大影響。業(yè)主與設(shè)計方精誠合作，與國家核安全局、國防科工局等監(jiān)管機(jī)構(gòu)密切溝通，從可實施性、經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備可靠性、可維修性、輻射防護(hù)最優(yōu)化等方面提出大量建設(shè)性意見。歷經(jīng)十余次審查和修訂，最終完成了燃料裝卸系統(tǒng)第一、第二階段整改方案固化。
 
燃料裝卸系統(tǒng)整改工作具有“邊設(shè)計、邊改造、邊驗證”的特點。如何實現(xiàn)設(shè)計思想，使設(shè)備整改達(dá)到預(yù)期功能目標(biāo)，是整個整改工作的重點，也是難點，僅碎球分離裝置改造就超計劃開展了長達(dá)2個多月的試驗和優(yōu)化。但在整個過程中全體工作人員均保持凝心聚力攻堅克難、不達(dá)目的誓不罷休的斗爭精神，全力以赴保證安全、質(zhì)量和進(jìn)度目標(biāo)的實現(xiàn)，最終完勝燃料裝卸系統(tǒng)整改攻堅戰(zhàn)！

 
砥礪揚(yáng)帆，開創(chuàng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用新前景
 
高溫氣冷堆具備固有安全性、環(huán)境友好性、模塊化設(shè)計、高參數(shù)等優(yōu)勢，在優(yōu)化高溫氣冷堆技術(shù)、確保安全性和提高經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，具有廣闊的商業(yè)化推廣應(yīng)用前景。華能核電人在享受示范工程并網(wǎng)發(fā)電成功喜悅的同時并沒有停下腳步，他們已經(jīng)將目光放在了高溫氣冷堆技術(shù)的推廣應(yīng)用上，以華能核能研究院為核心的研發(fā)團(tuán)隊已著手開展高溫氣冷堆替代煤電、內(nèi)陸推廣、高溫工藝熱利用、核能制氫、海水淡化等項目研發(fā)工作，將對我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少碳排放、實現(xiàn)能源高效清潔利用和雙碳目標(biāo)做出更大的貢獻(xiàn)。
 
習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略是一個系統(tǒng)工程。科技成果只有同國家需要、人民要求、市場需求相結(jié)合，完成從科學(xué)研究、實驗開發(fā)、推廣應(yīng)用的三級跳，才能真正實現(xiàn)創(chuàng)新價值、實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。”華能核電人必將牢記習(xí)近平總書記和黨中央的囑托，攜手清華大學(xué)等攻堅團(tuán)隊，進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗、優(yōu)化提高，高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量實現(xiàn)示范工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，牽住自主創(chuàng)新這個“牛鼻子”，發(fā)揮我國社會主義制度優(yōu)勢、新型舉國體制優(yōu)勢、超大規(guī)模市場優(yōu)勢，扎實推進(jìn)高溫氣冷堆設(shè)計優(yōu)化和技術(shù)推廣工作，不斷提升高溫氣冷堆技術(shù)核心競爭力，為推動我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、保障國家能源安全作出新的更大貢獻(xiàn)。
 
（作者系華能山東石島灣核電有限公司 侯雪梅　趙亮）
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