“國和一號”的自主創(chuàng)新之路

　　先看兩組數字。

　　60年、900萬噸、150萬千瓦;

　　12年，700余家，超3萬名，1.4萬余項。

　　第一組，是“國和一號”的安全、經濟與環(huán)保說明書——設計使用壽命60年，每年二氧化碳減排量約900萬噸，單機組發(fā)電功率150萬千瓦。

　　第二組，是背后的付出與成果——12年研發(fā)歷程，700余家單位、超3萬名技術人員參與其中，累計形成知識產權成果1.4萬余項。

　　兩組數字合起來，就是“國和一號”的一份亮眼“簡歷”。“國和一號”是依托國家重大科技專項“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”開發(fā)的三代核電自主化標志性成果，是完全自主設計的中國核電技術品牌，代表當今核電技術的先進水平。

　　“國和一號”首堆——“國和一號”示范工程位于山東榮成，由國家電投國核示范電站有限責任公司(以下簡稱“國核示范”)負責建設、管理和運營，目前一期兩臺機組建設正有序推進，首期工程投產后就可實現熱電聯(lián)供。

“國和一號”示范工程現場吊環(huán)

　　國之重器，填補空白

　　在榮成的國家電投新能源科技館，一個1∶60的模型清晰展示了“國和一號”的構造。核電機組整體上可分為兩大部分：一側是核島，有高聳直立的核反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，鋼穹頂上方放著一個巨大水箱;另一側為常規(guī)島，核島產生的蒸汽傳送過來驅動汽輪機發(fā)電。

　　“‘國和一號’是名副其實的國之重器。”國核示范設計管理處處長劉春光說，“從體型構造看，‘國和一號’單臺機組總重超1400噸，其中一個直徑超1米的大閥門就有29噸重，由鋼水澆鑄而成。內部結構也十分復雜，僅蒸汽發(fā)生器的U型管就超過1萬根，如果將這些管道連接起來，總長度在300公里以上。”

　　據介紹，外部安全殼的直徑，更是達40余米。從使用材料看，特制的鋼板厚度超5厘米。開啟運行后，有的組件內部每平方米承受的壓力逾40噸，遠超輕型裝甲車的重量。

　　不僅“身形”巨大，效益同樣突出。“國和一號”單臺機組發(fā)電功率為150萬千瓦，設計壽命60年，投產后年發(fā)電量114億千瓦時，可滿足超1100萬居民的用電需求，每年可減少溫室氣體排放超過900萬噸。以平均每畝樹林減排1.336噸二氧化碳折算，減排效應相當于造林約674萬畝。

　　中國核電市場一度被稱作“萬國牌”，有多個國家的核電技術并存。2006年，中國決定實施三代核電自主化戰(zhàn)略。作為國家重大科技專項，“國和一號”在立項時就肩負特殊使命——攻克大型先進核電機組批量化建設難關。

　　研發(fā)工作自2008年啟動。2020年，國家電投正式發(fā)布“國和一號”，標志著該技術終于完成研發(fā)。歷時12年科研攻關，共有700余家單位、超3萬名技術人員參與其中，累計形成知識產權成果1.4萬余項，形成新產品、新材料、新工藝、新裝置、新軟件等2000余項。

　　“‘國和一號’采用CAP1400壓水堆技術，是‘高起點再創(chuàng)新’，它基于引進消化吸收三代非能動壓水堆核電技術，基于中國50年的核電廠研發(fā)、設計和工程經驗，也基于中國核電機組近30年的安全建設和運行經驗，具有完全自主知識產權。”國家電投集團核能領域工程技術管理學科專家、國核示范副總監(jiān)劉新利介紹。

　　“國和一號”成功打破了多項材料及設備制造技術壟斷，主泵、爆破閥、壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內構件等關鍵設備材料全部實現自主化設計和國產化制造。

　　“站在世界核電技術發(fā)展前沿，‘國和一號’填補了我國核電產業(yè)的多項技術和工藝空白，推動核電行業(yè)和技術整體升級換代。”劉新利說。

　　安全性高，經濟性好

　　建核電站，人們最關注的還是安全。

　　“隨著全球對核電安全的認識進一步提升，先進核電國家針對核電設計、運行等方面進行了充分分析評估，提出一系列改進措施，三代核電技術應運而生。”劉新利說。

　　從模型結構可以看到，“國和一號”外層被厚厚的混凝土層包裹。“這是屏蔽廠房，厚1.1米，兩層鋼板內部填充高性能、高強度的混凝土，可抵御臺風、海嘯來襲或是飛機撞擊。”劉新利介紹。

　　再看由4道屏障構成的內部安全保護：燃料芯塊、燃料包殼、一回路壓力邊界，特別是直徑43米、高70多米的鋼制安全殼，仿佛一個巨大的膠囊型鋼鐵屏障，事故后可以將放射性物質牢牢包裹住。

　　“先進三代核電消除了大規(guī)模放射性物質釋放的可能性，排除了核電風險對環(huán)境與公眾的放射性危害。”劉新利表示。

　　在安全設計思路上，“國和一號”采用了“非能動”理念。簡單來說，就是不依賴外部動力或人工干預即可自行啟動運行。這一理念體現在諸多細節(jié)上。比如遇上停堆，熱量無法導出，反應堆就會燒毀。這時，核島頂部的大水箱就要發(fā)揮作用了。

　　大水箱里裝著3000多噸冷卻水，是非能動核安全設計理念的關鍵環(huán)節(jié)之一。“水會在重力作用下流到反應堆堆芯或安全殼表面，把里面的熱量置換出來，自動冷卻堆芯與安全殼系統(tǒng)，保證堆芯與安全殼不受損。”劉新利介紹，“斷電狀況下，‘國和一號’反應堆能在事故發(fā)生72小時內無須人工干預自動保證安全。”

　　“性價比”是日常消費的重點關注點，工程建設也是如此。相較于過去的安全措施，非能動設計理念讓核電設備大幅簡化，安全性卻有了巨大提升。相比傳統(tǒng)電廠，“國和一號”整體閥門減少50%、管道減少80%、電纜減少70%，提高了可建造性、可運行性和可維修性。采用“標準化設計、工廠化預制、模塊化施工、專業(yè)化管理、自主化建設”模式，“國和一號”在經濟性上具有明顯競爭優(yōu)勢。

　　全力沖刺，全國產化

　　超90%，這是“國和一號”示范工程設備的國產化率，后續(xù)項目也已基本具備全國產化能力。

　　如何保證三代核電在高安全性基礎上擁有更強的競爭力?如何實現批量化建設?這些都必須通過自主化國產化來解決。

　　反應堆冷卻劑泵，簡稱“主泵”，承擔著為核島運轉提供動力的重任，可以看作核電站正常功率運行時的“心臟”。全新的制造工藝和運行流程，對制造業(yè)來說是一項巨大挑戰(zhàn)。為確保研制成功，許多關鍵設備都采取“雙線并行”的策略。主泵就是這樣，一面推進屏蔽電機主泵研發(fā)，另一面啟動濕繞組主泵技術方案。

　　2011年入職后，國核示范設備管理處劉原君就參與2種主泵的國產化研制。主泵樣機產品試驗期間，他3600個小時在臺架旁駐守，幫助解決推力盤劃痕干磨問題，按照快速識別、精準糾偏和保守驗證模式，確保主泵順利研發(fā)。

　　十年磨一劍，兩條技術路線相繼走通，使中國核電產業(yè)鏈在細分領域一躍成為全球領先。

　　在核電產業(yè)鏈的“朋友圈”里，不僅有大型國有企業(yè)，還包括許多民營企業(yè)。

　　核電機組中所用到的1萬多根U型管，需要防輻射、防腐蝕，對制造的材料要求很高，過去不得不依賴進口。

　　2005年，一個叫莊建新的年輕人來到法國尋求合作，吃了閉門羹?；貒螅f建新成立了自己的公司，埋頭苦干，U型管研發(fā)終獲成功，產能也不斷提升，成了行業(yè)“隱形冠軍”。

　　從核電“心臟”主泵，到“大腦”核設計與安全分析軟件;從“中樞系統(tǒng)”核電儀控，到一次儀表等遍布核島各處的“血管”“神經”……三代核電自主化技術攻關團隊步履不停，填補了一項又一項空白，啃下了一塊又一塊“硬骨頭”。

　　“國和一號”示范工程兩臺機組共有8萬余臺設備，部分核級設備要求嚴苛，研制難度極大，此前國內并不具備生產能力。研發(fā)初期，為盡快實現商業(yè)化運行，研發(fā)團隊在對國內核電裝備產業(yè)全面梳理的基礎上，首先選擇攻克其中“最貴”“最難”的部分，剩余小部分標準設備則進行國際采購。

　　“這一小部分設備屬于市場價格合理、競爭充分、不存在少數幾家企業(yè)壟斷的物項，也不會影響‘國和一號’的落地和出口。”國核示范機械采購科科長王亞松說。

　　隨著國際環(huán)境的變化，這一小部分設備成了壓在核電人心頭的巨石。“為徹底補上短板，避免‘因1%卡死100%’，在攻克大多數設備國產化難題后，產業(yè)鏈上下游單位開展聯(lián)合攻關，目前國產化率已超90%，正向100%國產化目標沖刺。”王亞松說。

　　今天，從設計到制造，從工程的建設到建造安裝，再到核電站后期的運維，中國已形成了一整套核電產業(yè)鏈，具備先進核電設備整機配套能力與供應體系。通過三代核電自主化，中國正實現對國際最高水平的趕超，助力“雙碳”目標實現。