我国核电技术如何一步步点亮“万家灯火”?

核能知了 2023-05-26
3182 字丨阅读本文需 8 分钟

在我国核工业创建60周年之际,习近平总书记曾作出指示:核工业是高科技战略产业,是国家安全重要基石,要坚持安全发展、创新发展,坚持和平利用核能,全面提升核工业的核心竞争力,续写我国核工业新的辉煌篇章。

近70年来,中国核工业集团有限公司(以下简称中核集团)面向国家战略需求,坚定不移走中国特色自主创新道路,发挥核工业全产业链优势,致力于打造自主创新的中国品牌和享誉全球的知名品牌,扛国之重任,造国之重器,推动我国核工业实现从跟跑到并跑、部分领域领跑的转变,努力推动中国智造高质量发展。

2021年1月,随着全球首台华龙一号核电机组福清5号投入商业运行,到如今包括福清6号和巴基斯坦卡拉奇的K3、K4机组,4个华龙一号机组都很顺利的并网发电。2022年,华龙一号全球示范工程全面完工。“目前它们都运行得很好,各种指标都非常好,证明我们的设计是非常成功的。”

记者了解到,现在华龙一号已经成为中国核电建设的主力军。国内的核电建设,除了历史遗留的厂子之外,全部都是华龙一号。而正是中国核动力研究设计院,让中国拥有了真正意义上的自主三代核电。

刘昌文告诉记者,新的建设都是华龙一号的同时,创新也在路上。尽管原来的华龙一号在安全保障方面已经武装到牙齿了,但是技术还在进步,还有一些新的科研成果也正应用在新的推广项目上,包括正在建设的福建漳州核电站。

核燃料品牌自主创“芯”路

作为核电的能量源泉,核燃料组件被称为反应堆“心脏”,对核电站的安全性、经济性和可靠性至关重要。但是,这颗“心脏”的研发经历了复杂而漫长的过程,核动力院CF燃料研发团队十年磨一剑,才研制出我国首个具有完全自主知识产权的CF3燃料组件。

CF研发之路一开始就充满荆棘:一方面,我国核电燃料研发起步晚,在设计、实验各方面与国际核强国存在较大差距;另一方面,我国大部分核电站使用的燃料组件,为引进外国技术在国内制造,无论核心技术、原材料还是关键部件,都依赖于进口。

为打通核燃料这个关卡,2010年,中核集团启动大型商用核电站的自主化压水堆燃料元件研发,CF系列燃料承载的自主创新核能梦正式起航。

这一项目最大的困难,来自于专利壁垒。

经过通力合作、集智攻关,CF燃料团队在五年多的时间里攻克关键技术瓶颈,收获50余项核心专利,创造了多个国内“第一”,填补了我国核燃料元件设计制造的空白。

CF3燃料组件的研制成功,使国内摆脱了无自主知识产权燃料品牌的困境,打破了国外的技术限制和原材料供应限制,为我国自主化三代核电“华龙一号”等核电技术顺利出口,提供了重要支持。

“核燃料组件是反应堆的核心,我们一定要研制出最好的中国‘芯’,把命运掌握在自己手里。”CF燃料总设计师焦拥军说,CF3也如他所愿,指标达到世界先进水平。

为什么一定要有百万千瓦核电技术?

“华龙一号”副总设计师刘昌文记得,20多年前的成都,一到冬天枯水期,到处限电,城市里到处黑压压一片。当时着眼于满足国家电力需求、能源结构调整和核电大规模发展的需要,最终还是要走自己的路,发展更大规模的电力。

买外国的不行吗?

九〇九基地的很多人都记得,在2007年以前,大型核电站的蒸汽发生器的设计技术及知识产权都掌握在美国、法国等国的少数几家公司手中。国内百万千瓦级核电站的蒸汽发生器都是外国公司负责设计,技术转让条款苛刻,价格昂贵。

从小长在核电厂大院的邵亦武见过父辈们被“看脸色”的现场,“外国的技术人员在现场服务时藏着掖着,核工业人一定要自立自强。”

要打破技术瓶颈,促进中国核电产业转型升级,就必须进行自主创新,掌握关键技术。那次讨论决定了中国核电自主化的技术方向,为“华龙一号”埋下了希望的“种子”。

当年,核动力院启动了自主百万千瓦核电技术的研发攻关工作,提出了方案。经过14年的埋头攻关,2010年底,核能行业协会组织全国专家来审查方案,与会专家认为该方案解决了中国自主百万千瓦核电技术从无到有的问题,是一项重大突破。

2011年3月8日,天气晴朗,福清现场,10多台挖掘机已经就位,轰隆隆声似乎要盖过了海浪声。

第三天,巨大深坑已显现,当人们干的热火朝天时,日本福岛核事故使世界哗然,核电事业一度陷入“低谷”。

再之后,我国对核电站开工的要求是,“按照全球最高安全要求新建核电项目,新建核电机组必须符合三代安全标准。”

“中国绝不会发生类似福岛的核事故”

全球最高安全要求意味着什么?

“中国核电厂绝不会发生类似福岛的核事故。”这是刘昌文的底气,他告诉《中国科学报》,“华龙一号”的安全性已经达到了全球最高标准,在安全保障上已经武装到牙齿了。

首先,在设计上,“华龙一号”最突出的特点是,能动系统与非能动系统结合,所谓“能动”,即靠电来驱动安全系统,保障核电站运行,这是世界几乎所有核电堆芯的主要系统。

有了非能动的加持,一旦发生断电、停堆等极端情况,堆芯依靠重力、温差和压缩空气等自然力来驱动安全系统,通过蒸发、冷凝、对流、自然循环等自然过程来带走热量,让亟待被释放的堆芯余热引起的和高温及时“刹车”。

“非能动系统让核电站有了72小时的自动‘窗口期’,一旦发生意外事故,“华龙一号”72小时内不需要外部干预,依靠重力、温度密度差等非能动手段也可以将堆芯的热量导出,保证机组安全。”刘昌文说。

能动加非能动的设计理念,来自他们一定要实现“中国拥有自己的世界一流核电站”梦想的志气和骨气。

当时国内关于非能动系统的设计完全没有参考,国外又严防死守,进行技术封锁,核动力院的科研人员自己摸索前进。

最终,在两年时间内成功研发出了非能动二次侧余热排除系统、非能动安全壳热量导出系统和能动与非能动相结合的堆腔注水冷却系统为代表的非能动安全系统。

底气,还来自于一系列硬性指标和设备。

李宗霖比曹宇华小几岁,同是“华龙一号”首批高级操纵员。他走进“华龙一号”,源于总设计师的一句话,“我们中国人马上要造出自己的三代核电,不再需要看外国人的脸色!”民族自尊心和自豪感驱使他一定要参与到这项伟大事业中。

李宗霖举了一些数据:堆芯熔化概率,即导致反应堆堆芯严重损坏并熔化的严重事故的发生概率是一个重要指标,“华龙一号”三代核电技术的堆芯熔化概率是十的负六次方,大量放射性释放概率小于十的负七次方,也就是千万分之一的概率。

当然,即使是这千万分之一的概率,中国核电人也不会允许其发生。

此外,“华龙一号”拥有双层安全壳,可以抵御大飞机的撞击,能抗9级地震。

2020年11月27日,凌晨00时41分,“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功。2021年1月30日、2022年3月25日,福清核电5、6号机组分别投入商业运行,“华龙一号”全球首堆示范工程全面建成。

今年5月5日,“华龙一号”全球首堆示范工程正式通过竣工验收,充分证明了华龙一号技术的安全性、先进性、成熟性。

中国三代核电造福人类

曹宇华的前辈、中国大陆首批核电“黄金人”和技术总监朱晓斌再有1年半,工龄就满30年了,即将光荣退休。

朱晓斌很自豪,在即将退休的时候,看到“华龙一号”走向全国、走出了国门。

中国第三代核电技术完成从0到1的蜕变,接下来,如何实现遍地开花,输送清洁低碳、安全高效的能源服务千家万户,是“华龙一号”的新使命。

距离福清不远的福建漳州核电现场塔吊林立,面朝大海,灰色“城堡”即将拔地而起,这是“华龙一号”首个批量化建设的工程。1号、2号机组预计分别在2024年和2025年先后建成并投入商用。

2021年3月和4月,华龙一号海外首堆——巴基斯坦卡拉奇2号机组与3号机组相继并网成功,这是中国自主三代核电华龙一号海外建设取得的重大里程碑。

授人以鱼不如授人以渔。作为曾到海外接受培训的“黄金人”,朱晓斌和同事们成为了海外“华龙一号”操纵员的培训教员,他们高质量完成了巴方2号和3号机组首批运维人员1591人的百万千瓦机组堆型培训工作,并承担起联合调试和试运行管理工作。目前,这些人员已成为巴基斯坦“华龙一号”当之无愧的技术骨干。

“随着全球对二氧化碳的控制趋势,核电被接受的程度和被需要的程度越来越高了,但国际核电市场的竞争也非常激烈。”秦山核电党委书记吴炳泉说,挑战在于核电产业链、有经验的核电建设运行技术人员的需求等方面。“而我们的一大优势,在于我们有着强大的队伍,尤其对于技术人才培养,这是助力‘华龙一号’走出去的重要支撑”

我国已成为继美俄法等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家,亦实现从引进到出口,从跟跑到并跑的跨越。

“华龙一号”的海外需求越发旺盛,2021年,曹宇华接到了新任务,组织开发对外“华龙一号模拟机培训介绍”课程,拍摄全英文视频7小时,助力“华龙一号”“走出去”......

微小原子可迸发巨大能量,无数的“原子”正在聚集,成为点燃中国核工业的巨大引擎。

文章来源: ​中国科学报,中国品牌,国际在线

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