相較于第二代核電技術(shù)30萬(wàn)千瓦的電功率，第三代核電技術(shù)電功率需要突破135萬(wàn)千瓦，對(duì)非能動(dòng)安全和主要設(shè)備來(lái)說(shuō)，就是那個(gè)大門(mén)檻。
核能是人類(lèi)最具希望的未來(lái)能源之一，核能的應(yīng)用和發(fā)展水平，是一個(gè)國(guó)家綜合工業(yè)實(shí)力的體現(xiàn)，是大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的主陣地，核電技術(shù)則是核能應(yīng)用的重要具體場(chǎng)景。核電技術(shù)是利用核裂變或核聚變反應(yīng)所釋放的能量發(fā)電的技術(shù)。從1954年到前蘇聯(lián)建成奧布靈斯克核電站以來(lái)，全球核電應(yīng)用歷程也走過(guò)了67個(gè)春秋。
目前，世界掌握的核電技術(shù)主要分為三代，第一代核電技術(shù)主要是以實(shí)驗(yàn)研究堆為主。第二代核電技術(shù)主要發(fā)展階段是20世紀(jì)60年代初到1979年以前，該階段技術(shù)建成的核電稱(chēng)為二代。美國(guó)三里島核事故發(fā)生后，全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識(shí)進(jìn)一步提升，先進(jìn)核電國(guó)家針對(duì)核電設(shè)計(jì)、運(yùn)行安全等方面進(jìn)行了充分認(rèn)識(shí)與分析評(píng)估，提出了一系列改進(jìn)、增強(qiáng)安全性的措施，三代核電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
長(zhǎng)期以來(lái)，根據(jù)外方的合作協(xié)議，只有電功率超過(guò)135萬(wàn)千瓦，我國(guó)才能擁有三代非能動(dòng)核電的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。135萬(wàn)千瓦，對(duì)非能動(dòng)安全、主要設(shè)備來(lái)說(shuō)是個(gè)“大門(mén)檻”，不掌握核心技術(shù)，這個(gè)“大門(mén)檻”就過(guò)不去。因此，我國(guó)一直沒(méi)能完全掌握三代非能動(dòng)核電的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這也成為了制約我國(guó)在能源領(lǐng)域發(fā)展的“卡脖子”重點(diǎn)問(wèn)題。
道阻且長(zhǎng)，行則將至。經(jīng)過(guò)十二年的探索，在2020年9月28日，135萬(wàn)千瓦這個(gè)“大門(mén)檻”中國(guó)終于邁過(guò)去了。在這天，國(guó)家電投集團(tuán)公司正式發(fā)布了我國(guó)三代核電自主化標(biāo)志性成果——中國(guó)自主核電技術(shù)品牌、世界先進(jìn)三代核電型號(hào)“國(guó)和一號(hào)”。
135萬(wàn)千瓦的“大門(mén)檻”擺在面前
核電，是利用原子核內(nèi)部蘊(yùn)藏的能量產(chǎn)生電能。一顆原子核，直徑只有一根頭發(fā)絲的一億分之一，卻蘊(yùn)藏著驚人能量。1千克的鈾235裂變以后產(chǎn)生的能量，大致相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤充分燃燒釋放的熱量。
對(duì)于核電技術(shù)的應(yīng)用，前蘇聯(lián)早在1954年就開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，第一代核電技術(shù)即早期原型反應(yīng)堆，主要目的是為通過(guò)試驗(yàn)示范形式來(lái)驗(yàn)證核電在工程實(shí)施上的可行性。第二代核電技術(shù)是在第一代核電技術(shù)的基礎(chǔ)上建成的，它實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化等，包括壓水堆、沸水堆和重水堆等，單機(jī)組的功率水平在第一代核電技術(shù)基礎(chǔ)上大幅提高，達(dá)到千兆瓦級(jí)。
到了上世紀(jì)九十年代，美國(guó)三里島核事故發(fā)生后，全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識(shí)進(jìn)一步提升，先進(jìn)核電國(guó)家針對(duì)核電設(shè)計(jì)、運(yùn)行安全等方面進(jìn)行了充分認(rèn)識(shí)與分析評(píng)估，提出了一系列改進(jìn)、增強(qiáng)安全性的措施，三代核電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
然而，我國(guó)運(yùn)行的核電站大多也為第二代改進(jìn)型。也就是說(shuō)，這數(shù)十年的時(shí)間里，我國(guó)一直沒(méi)有在第三代核電技術(shù)方面取得突破。相較于第二代核電技術(shù)30萬(wàn)千瓦的電功率，第三代核電技術(shù)電功率需要突破135萬(wàn)千瓦，對(duì)非能動(dòng)安全和主要設(shè)備來(lái)說(shuō)，就是那個(gè)大門(mén)檻，“這不是簡(jiǎn)單的等比例放大，而是要具備自主設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)的能力——不掌握核心技術(shù)，這個(gè)大門(mén)檻就邁不過(guò)去。”大型先進(jìn)壓水堆核電站國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)總設(shè)計(jì)師、國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司核能總工程師鄭明光說(shuō)。
歷經(jīng)12年突破重重難關(guān)
自2008年起，從核電“大動(dòng)脈”主管道到“心臟”主泵，從“大腦”核設(shè)計(jì)與安全分析軟件到“中樞系統(tǒng)”核電儀控，再到電纜、儀表等遍布核島各處的“血管”“神經(jīng)”…以鄭明光為代表的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，對(duì)“國(guó)和一號(hào)”頂層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了全局性的創(chuàng)新，包括增加鋼制安全殼的直徑和厚度以擴(kuò)大核島空間，重新設(shè)計(jì)研制反應(yīng)堆冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器、爆破閥和汽輪發(fā)電機(jī)，大幅度優(yōu)化主泵流量、主管道流通截面等，實(shí)現(xiàn)型號(hào)總體安全經(jīng)濟(jì)性能和效率的全面提升。
三代核電自主化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵核心技術(shù)上狠下功夫，一項(xiàng)項(xiàng)空白逐步掃清。以“國(guó)和一號(hào)”控制棒驅(qū)動(dòng)線試驗(yàn)的技術(shù)攻關(guān)這項(xiàng)任務(wù)為例，2015年起，“國(guó)和一號(hào)”項(xiàng)目組的陳宇清擔(dān)此重任，連續(xù)一個(gè)多月的時(shí)間里，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，任何外界，包括附近行駛車(chē)輛的干擾都要盡量避免。陳宇清帶頭從晚上8點(diǎn)鐘開(kāi)始做試驗(yàn)，直到凌晨3點(diǎn)鐘結(jié)束。看凌晨4點(diǎn)的上海，成了“陳宇清們”的常態(tài)，在這樣的狀態(tài)下，他們最終圓滿完成任務(wù)，為三代核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自主設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)，各個(gè)企業(yè)、機(jī)構(gòu)的鼎力相助，依靠產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，“國(guó)和一號(hào)”成功打破多項(xiàng)材料及設(shè)備制造技術(shù)壟斷，主泵、爆破閥、反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆本體及一體化堆頂組件、大鍛件、核級(jí)鋯材、690U型管等關(guān)鍵設(shè)備材料全部實(shí)現(xiàn)自主化設(shè)計(jì)和國(guó)產(chǎn)化制造，性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
有媒體為國(guó)和一號(hào)算了這樣一筆“賬”：72小時(shí)、56個(gè)月、60年、153.4萬(wàn)千瓦。這些數(shù)字可以換算成“國(guó)和一號(hào)”安全、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的效果圖：采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)、事故后無(wú)須人工干預(yù)時(shí)間為72小時(shí)，建造周期56個(gè)月，電站整體和主體設(shè)備壽命60年，單機(jī)組發(fā)電功率153.4萬(wàn)千瓦……
大國(guó)重器設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超90%
自2008年啟動(dòng)項(xiàng)目研發(fā)，600多家單位、31000余名技術(shù)人員參與，累計(jì)形成知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果超過(guò)7600項(xiàng)，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)90%……“國(guó)和一號(hào)”的履歷，正是億萬(wàn)中國(guó)人凝心聚力問(wèn)鼎世界強(qiáng)國(guó)的縮影。
“國(guó)和一號(hào)”單臺(tái)機(jī)組中，超過(guò)100噸的設(shè)備、模塊有30件左右，最大的模塊體積有5000多立方米，重達(dá)1400多噸;安全殼是個(gè)直徑40多米，高70多米的“大膠囊”，用5厘米厚左右的鋼板制成，每平方米可承受40噸以上的壓力;蒸汽發(fā)生器里面有1萬(wàn)多根用于熱交換的U型管，總長(zhǎng)超過(guò)300公里……一項(xiàng)項(xiàng)數(shù)據(jù)足以說(shuō)明“國(guó)和一號(hào)”是名副其實(shí)的“國(guó)之重器”。
通俗來(lái)講，“國(guó)和一號(hào)”年發(fā)電量114億千瓦時(shí)。按照2020年全國(guó)年人均用電量預(yù)計(jì)達(dá)5000千瓦時(shí)計(jì)算，“國(guó)和一號(hào)”單臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量可滿足2280萬(wàn)居民的用電需求。
而對(duì)于掌握了第三代核電技術(shù)150萬(wàn)千瓦級(jí)的核電機(jī)組也意味著環(huán)保方面的巨大貢獻(xiàn)。機(jī)組與同等規(guī)模燃煤電站相比，相當(dāng)于每年減排二氧化碳900萬(wàn)噸，減排二氧化硫3.9萬(wàn)噸，減排氮氧化物2.1萬(wàn)噸，減排煙塵0.5萬(wàn)噸。減排氣體量相當(dāng)于種植1470平方公里森林。
結(jié)語(yǔ)
根據(jù)國(guó)家電投的規(guī)劃，到2023年，“國(guó)和一號(hào)”將全面實(shí)現(xiàn)100%設(shè)備國(guó)產(chǎn)化能力，到2025年，建成“技術(shù)上最先進(jìn)最安全、裝備上完全自主可控、經(jīng)濟(jì)上有顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)”的三代核電產(chǎn)業(yè)鏈。
通過(guò)設(shè)計(jì)工作牽引制造企業(yè)能力提升，又通過(guò)制造過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)反饋反哺設(shè)計(jì)水平提高，在相互作用、共同成長(zhǎng)中，“國(guó)和一號(hào)”建成了先進(jìn)的三代核電自主創(chuàng)新體系和產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系。這是國(guó)家電投的又一次突破，而未來(lái)以國(guó)家電投為代表的央企，還將承擔(dān)更多發(fā)展重任，面臨更大挑戰(zhàn)。
