華龍突圍

  

發布時間:2021-01-28 信息來源:默認部門

  我國核工業是從受人遏制發展到今天的,是在自主創新中成長起來的,同樣是在自主創新中逐漸強大起來的。

  縱觀我國自主三代核電華龍一號的發展歷程,可以充分感受到我國核工業人的錚錚傲骨。為了國家的強大,為了民族的尊嚴,他們忍辱負重、自立自強、砥礪前行,推動我國核電實現從跟跑到并跑、與核電強國齊頭并進的歷史性跨越,贏得了世界的認可與尊重。

  緣起:研發中國人自己的百萬千瓦級核電站

  從CNP1000到CP1000

  若不是日本福島核事故,2011年底,在福清核電5號機組的這塊廠址上將會建立一座型號為CP1000的核電機組。

  “CP1000是中國首個具有完全自主知識產權的百萬千瓦級核電站,即將落地之時卻因為福島核事故夭折了。”回憶起將近十年前的往事,華龍一號總設計師邢繼五味雜陳。

  1997年,中核集團著手開展自主百萬千瓦級核電機組的研發,當時形成了一個總體方案CNP1000。在這個方案中,由中國核動力研究設計院負責堆芯,也就是反應堆方案的設計。該院時任副院長張森如等人提出了兩種方案,一種是將國際上普遍采用的“157堆芯”擴充為“177堆芯”,也就是將燃料組件擴展到177組;另外一種是燃料組件維持157組不變,把燃料棒從12英尺加長到14英尺。而那時的中國核工業第二研究設計院聚焦在功率更大的CNP1400開展研究,由于太超前,在完成初步設計后,這條線就擱置了。相關人員都投入到CNP1000研發中。

  從“157”到“177”,看似簡單,實則很復雜。在充分考慮熱量傳遞、燃料富集度等組件之間相互制約的因素后,還要提升堆芯性能,并不是一件容易的事情。“不許失敗、不許超限、不許延期。”據華龍一號副總設計師、核反應堆及一回路系統總設計師劉昌文回憶,為在參數的平衡間找到最優的布置方式,科研人員自我加壓,艱難攻關,在堆芯裝載方案沒有顛覆性調整的情況下,成功地將組件最大燃耗降低到了限值以內,在安全性、經濟性和對下游專業的影響之間取得了完美的平衡。

  后來歐美推出AP1000、EPR等第三代核電技術,無論是安全性經濟性方面都提出了更高的要求,應對事故的能力更強。對此,中核集團科研團隊汲取國際上第三代核電站設計理念,重新定位了自主百萬千瓦級技術的研發目標,形成了一個具有三代特征的自主核電技術,這就是CP1000。

  邢繼在2009年進入這一研發團隊,并擔任這一型號的總設計師。隨后,研發團隊提出了“能動+非能動”的初步設想,并落實在CP1000方案中。

  另外,單堆布置、采用雙層安全殼也是CP1000的兩項突出特征。然而,對于采用雙層安全殼這一重大改進,大家產生了嚴重的分歧。

  采用雙殼有沒有必要?如果采用雙殼,科研團隊能否在剩下不到一年的時間內完成設計和論證,滿足2011年年底開工的要求?在專家討論會上,雙方爭執不下。

  面對專家們尖銳而直接的質疑與追問,邢繼并沒有急著回答,而是翻開筆記本,平靜地念出了這樣一段話:“我們能夠深刻理解到這件事情對我們的影響有多大,也非常珍惜有這樣的機會去創造一個屬于自己的核電站,同時更知道它的重要性……我們要堅持采用雙層安全殼,我認為這個方案能夠點燃設計人員的創新熱情和激情。”

  喧鬧的會議室突然靜了下來,隨后又響起了一陣熱烈的掌聲。

  這段話,邢繼思慮良久。

  “我們的技術人員當然知道挑戰有多大,我們有這個信心能實現目標,而我們同樣希望通過自主創新來推動中國核能技術的發展。如果在雙層安全殼的確定上支持我們的創新,無疑會點燃我們工程師、研發設計人員內心中的創新激情。”邢繼說。

  其實,這不僅是對邢繼及其團隊的考驗,更是在考驗中國能不能夠靠自己的實力,建造一座從設計到建造都完全自主的百萬千瓦級核電站。

  當時作為中核集團副總經理主管CP1000研發的現任中核集團黨組書記、董事長余劍鋒在會上當場拍板:“就按這個方向走。”專家會結束后,他又對邢繼提出了更高期待。

  “集團公司希望我們把這個目標定得更高一些,就是我們中國自主的研發要有一個更高的目標,要瞄準國際上最先進的核電,以高標準嚴要求來確定我們自主核電的發展。”邢繼回憶道。

  CP1000計劃在2011年底開工,邢繼科研團隊在2010年底就完成了初步安全分析報告編制,并上報到國家核安全局。2011年初,國家核安全局啟動項目許可證安全審批,在組織召開第一次安審對話會后,發生了日本福島核事故。

  此次核事故雖然發生在日本,但是核安全沒有國界,影響波及全世界。國務院立刻制定了核電安全發展的四項決定(以下簡稱“國四條”):一、所有核設施馬上全面開展安全檢查;二、暫停所有新建項目的審批;三、要求后續核電項目必須按照國際上最高的安全標準開展;四、對核設施不滿足安全檢查要求的,必須進行改進。

  “按國四條要求,CP1000屬于將要開工但還沒有審批的項目。如果對照國四條要求,就要按照國際上最高的安全標準來建,我們就需要重新論證。我們當時就得出一個結論,CP1000不能滿足國際上最高安全標準的要求。這就意味著判了CP1000的死刑。”邢繼說。雖然此時福清核電5號機組現場負挖已經開工,但2011年年底澆筑第一罐混凝土的計劃被迫流產。

  雖說日本福島核事故對全球核電發出了嚴厲警示,但原國家核電技術公司吸收美國西屋公司第三代核電技術AP1000、中國廣核集團有限公司引進法國EPR核電技術等項目還在繼續。

  對邢繼的整個研發團隊而言,這樣的局面是一個非常沉重的打擊。

  但邢繼很快就振作起來,他還對戰友們說:“這都是暫時的,只要我們技術超強,做得更好,一切困難都是暫時的。我們的目標是做世界上最先進的技術,國家的要求和我們的目標是一致的。盡管遭受了挫折,可也使我們更加堅定地去追求更高目標。”

  融合:滿足國際最高安全標準

  從ACP1000到華龍一號

  日本福島核事故雖然阻止了CP1000,但沒有阻止中國核電自主研發前進的步伐。

  其實,在研發CP1000的同時,中核集團已經提前策劃布局并開展了自主三代核電的研究,也就是后來的ACP1000。日本福島核事故可以說加速了這一型號的面世。

  除實時跟蹤福島核事故最新進展外,邢繼及其團隊還頻繁參與國際交流:“這些交流給我們提供了重要的經驗反饋。這是一個長期持續的過程,直到今天我們依然在關注后續的事故后的處理。當時的這些經驗反饋就直接反饋到確定ACP1000的方案制定上。”

  在福島核事故之前,ACP1000其實已經在論證過程中,事故以后,又結合經驗反饋,對設計方案重新審視,重新調整,最終以177組燃料組件堆芯、多重冗余的安全系統、能動與非能動相結合的安全措施為主要技術特征,采用世界最高級別的安全要求和最新的技術標準。這樣就能符合國際原子能機構(IAEA)制定的所有安全要求,滿足美國、歐洲的第三代核電技術標準。

  “華龍一號具有目前人類對核電最高級別的安全防護。”邢繼表示。

  對于ACP1000能抗多大級別地震這個日本福島核事故后多次被提及的問題,邢繼及團隊用0.3g來回答。

  這個專業術語,指的是峰值加速度,也是核電站用來確定抗震的設計基準。也就是說,不管震源在哪里,也不管能量通過何種地質構造傳遞而來,只要反應堆所處的地表水平向和豎向的震動峰值加速度不超過0.3g,核電站都是安全的。

  邢繼說:“這能夠涵蓋中國幾乎所有的廠址。”歐洲的EPR堆型為0.25g,而0.3g的目標相當于在抗震要求上又有了重大的提升。

  別看從0.25g提升到0.3g,在數值上只提升了0.05g,但對于整個核電站的設計產生的影響是巨大的。可以說是牽一發動全身,特別是對結構、設備抗震能力的要求大幅提高。

  據抗震攻關團隊的專家楊建華介紹,ACP1000既然定位三代核電,就要按照三代要求,要按照國際最高水平來設計。而這個高目標,給工程師們帶來了漫長和艱難的挑戰。為了啃下0.3g抗震的這塊硬骨頭,從2012年底到2014年底,抗震設計團隊的工程師們幾乎沒日沒夜地在辦公室里計算。甚至為了保證計算連續性和進度,有的工程師在端午節早上4點到單位接著計算。

  “最擔心計算出錯,因為一旦計算出錯,可能會因為連鎖反應,導致上游工藝專業的工作都白做了。那段時間,工作的壓力非常大,連睡覺時都會經常反復地思考計算參數,感到有問題時,就會冒冷汗。”然而,團隊主力馬英、孫曉穎卻說:“我們就是要戰勝它,我們也有信心戰勝它;挑戰讓我們很有成就感,挑戰成功讓我們更有自豪感。”在抗震攻關團隊夜以繼日地努力下,經歷了五次抗震設計迭代優化,終于形成了最終也是最優的華龍一號布置方案。

  無獨有偶,在抗大飛機撞擊的設計中,研發團隊也有著相似的境遇。邢繼說:“我們重新確定的ACP1000方案中強化了應對極端外部災害,包括人為事件的設計。大飛機撞擊在‘911’以后,在歐洲的三代核電設計中被普遍關注,而美國人當時并沒有考慮,但我們還是把它納入其中。”

  然而,這一設計對于研發團隊來說,完全是個空白。相關的模型和參數,在國際上是機密,無資料可尋。此項研究的具體承擔者蔡利建、蔣迪、姚迪表示難度太大,心里直打鼓,一時不知道如何開展研究。

  空白帶來機遇,機遇伴隨挑戰。對于抗大飛機撞擊設計方案,他們本來希望尋求國際知名公司協助指導,為此溝通過兩家國際著名企業。但對方提出要共享知識產權,并對后續出口提出一些限制條件。對于邢繼科研團隊來說,這一訴求意味著喪失了自主核電主導權,觸碰到了自己的底線和紅線。

  “這當然不行。我們的初衷就是要打造具有自主知識產權的核電站。靠自己才是根本方法。也只有靠自己,才能擁有完整的自主知識產權,中國核電技術才能走出國門,在國際上與那些核電公司有力地展開競爭。”邢繼堅定地說道。

  其實,這樣的問題也曾擺在核動力院面前。長期以來,蒸汽發生器的設計技術,只掌握在美國西屋、法國阿海琺等少數國外公司手中,設計新型號的百萬千瓦級核電站蒸汽發生器在國內尚無先例。是購買國外設計技術,繼續受制于人,還是狠下決心啃硬骨頭,研發設計具有自主知識產權的蒸汽發生器?核動力院人毫不猶豫地選擇了后者。他們自籌資金,組建攻關團隊,從事蒸汽發生器設計研究近30年的專家張富源擔任攻關組組長兼專家組組長。為了攻關,張富源帶領團隊成員常常24小時守在冰天雪地的試驗現場,啃饅頭、泡方便面。經過27個月的攻關,第三代核電ZH-65型蒸汽發生器問世。相比之下,美國、法國制造首臺三代核電蒸汽發生器的時間用了將近40個月。而與國外三代核電蒸汽發生器相比,ZH-65型蒸汽發生器產生的蒸汽壓力更高、蒸汽濕度更低、經濟性更好。

  功夫不負有心人。對于大飛機撞擊,經過一段時間摸索后,蔡利建、蔣迪、姚迪等人發現兩種研究方法,一種為簡化方法;另一種是采用三維模型分析。雖然此項研究是從零起步,但他們堅決選擇了后者。

  “我們打造拳頭產品,顯然要優于已有的技術,不能弱于現在的三代核電,不然就只能永遠跟著走。”蔡利建說道:“最重要的原因在于用三維模型做分析,更加全面、更有說服力,也更有利于團隊技術儲備及發展。”

  “在人類科技文明發展歷程中,每一步都是冒著風險的。我們的責任就是努力把風險降到最低限度。”邢繼補充說道。

  2013年4月,在國家能源局和國家核安全局的指導下,為步調一致搶占國際核電市場,在ACP1000技術的基礎上,中核集團和中廣核將各自的百萬千瓦級技術進行融合,形成我國自主知識產權、自主品牌的三代核電技術華龍一號。

  2014年8月21日至22日,華龍一號迎來大考。這兩天,華龍一號接受了由國家能源局、國家核安全局牽頭組織的我國43位院士和專家的評審。專家組一致認為,華龍一號成熟性、安全性和經濟性滿足三代核電技術要求,設計技術、設備制造和運行維護技術等領域的核心技術具有自主知識產權,是目前國內可以自主出口的核電機型,專家組建議,盡快啟動示范工程。

  隨后,華龍一號接受國際大考。維也納時間2014年12月4日至5日,經過緊張的答辯,華龍一號(ACP1000)通過了IAEA反應堆通用設計審查。這是我國自主三代核電技術首次面向國際同行審查。專家認為,ACP1000在設計安全方面是成熟可靠的,滿足IAEA關于先進核電技術最新設計安全要求;其在成熟技術和詳細的試驗驗證基礎上進行的創新設計是成熟可靠的。在IAEA通過安全認證,標志著華龍一號拿到了國際通行證。

  “在IAEA工作的中國員工事后說這是他們見到過的最好的報告,也是目前他們見到的三代方案里面最好的。”華龍一號首堆項目原設計經理宋代勇說。

  據了解,華龍一號擁有完全自主知識產權體系,專利700余件,軟件著作權120余項。概括來說,主要表現為“四個充分”:一是充分利用和結合了我國近30年來核電站設計、建設、運營所積累的寶貴經驗、技術和人才優勢;二是充分借鑒了國際上的先進核電技術;三是充分考慮了歷次核事故,特別是福島核事故后國內外的經驗反饋,全面落實了核安全監管的改進要求;四是充分依托業已成熟的我國核電裝備制造業體系和能力,采用經過驗證的成熟技術,實現了集成創新。

  建造:打破首堆必拖魔咒

挺進世界前列從圖紙到現實

  2015年5月7日,華龍一號示范工程福清核電5號機組正式開工建設。

  從1997年提出以“177堆芯”為主要特征的CNP1000,到2009年提出“能動+非能動”為主要特征的CP1000,再到ACP1000、華龍一號,中國具有完全自主知識產權的百萬千瓦級核電站經過近二十年的努力與拼搏,終于落地了。

  在喜慶的鞭炮中,華龍一號全球首堆福清核電開始茁壯成長。

  華龍一號首堆工程涉及大的專業領域70多個,80多個構筑物,360多個系統,工程設計圖紙20萬張以上。尤其是設備國產化率較高,包含“三新”設備(新設計、新廠家、新技術)111項。可以說,每一個細節的創新,都對設計、采購、施工、調試,乃至商務、核安全等各個環節提出了更高的要求,對整體的項目控制而言也意味著更大的挑戰。為了確保首堆工程順利推進,在中核集團主要領導牽頭下引入了Top10制度、沙盤推演等項目管理工具。

  其中,Top10制度是梳理和總結項目進展中存在的影響力和風險性較大的進度節點,可以集中調動優勢力量實現協同。而用于模擬項目管理與策劃工作的沙盤推演,被推廣到設計、采購、施工等環節,增強了對項目風險的預見性和控制效能,能夠使進度節點都得到了有效把控和落實,特別是對“三新”設備的風險控制和平穩運行具有非常重要的意義。

  然而一年后,工程建設進入最為曲折的時期。邢繼用這樣一幅繪畫記錄下那時的感受:華龍一號全球首堆工程現場,黑壓壓的天空下狂風暴雨似要襲來。他為之取名為《華龍2016》。

  世界上三代核電首堆,不管是美國的AP1000,還是法國的EPR,都遭遇了拖期的魔咒。的確,首堆建設難度極大,即便是有著30余年來不間斷從事核電工程建設經驗的中國,也不敢輕視。

  “華龍有我,有我必成!”每當工程遇到困難,現場參建單位就成立專業攻關組,晝夜不停干。有時夜里兩三點也邀請監理去驗收,為下一道工序做準備。他們把建設好華龍一號當作是自己的事業,只要任務需要,大家都沒有二話,愿意堅守,愿意付出,無怨無悔!

  相對于土建,設備方面遭遇的挑戰同樣不容小覷。2015年11月4日,福清核電現場正在召開華龍一號示范工程建設協調會。當得知主泵這個關鍵設備按時間節點已拖期5個月時,與會人員迅速行動,奔赴位于哈爾濱的哈電集團予以協調。從北京到福清,再回北京,然后前往哈爾濱……連續四天、輾轉三地,5500公里的行程,跨越南北,只為主泵能夠按期交貨。

  華龍一號汽輪機是我國自主生產的核電主設備,由東方電氣研制,不僅構造不同于福清核電前4臺機組,而且重量和尺寸都遠勝前者。其中,汽輪機低壓轉子重達 281噸,比前4個機組重了近一倍,特別是最長的葉片長1828毫米,為世界汽輪機之最。中核五公司的范永光等安裝人員晝夜不停地干,僅高壓缸找中,一周 7 天就找了 6 次,每個人都掉了好幾斤肉。“我每天有十五六個小時在現場,即使睡夢中也在找中,一個星期瘦了整整6公斤,到最后人都打飄了。”范永光說。激發大家伙時刻堅守在現場的動力,是參與華龍一號全球首堆建設的榮譽感、責任感與使命感。“我們是在為榮譽而戰,為中國核電而戰,為國家名片而戰。”

  越是重大項目工程,越是要通過黨建工作凝心聚力,讓黨旗在一線高高飄揚。華龍一號示范工程現場共有參建單位10余家,涉及班組400多個,建設人員約1.1萬名。如何形成統一編排、統一管理、統一行動的“一盤棋”工作格局,是一個需要著重解決的問題。為此,各參建單位與生態環境部華東核與輻射安全監督站共同成立了華龍一號黨建工作聯合委員會。黨建聯建工作圍繞“異”中求“同”,通過跨產業鏈、跨行業、跨單位的組織形式,將工程參建單位融合為一體,快速解決問題,既保證了施工安全質量又加快了工程進度。通過在現場建立黨員示范崗、責任區、先鋒隊等150多個,進行技術攻關,創造了一系列最短工期紀錄,為實現華龍一號示范工程建設目標打下堅實的基礎。

  而且,華龍一號全球首堆還聯合58家國有企業,聯動140余家民營企業,帶動上下游產業鏈5000多家企業,共同突破了411臺核心裝備的國產化。正是由于核動力院、東方電氣、哈電等研發、制造單位齊心協力,才保證了蒸汽發生器、壓力容器、穩壓器等關鍵設備以及NESTOR軟件按時供貨,也為華龍一號全球首堆按照計劃推進提供了重要支撐。

  2015年5月7日,華龍一號全球首堆機組正式開工建設。

  2017年5月25日,華龍一號全球首堆穹頂吊裝。

  2019年4月27日,華龍一號全球首堆完成冷試。這標志著該機組提前 50 天啟動冷態功能。

  2020年3月2日,華龍一號全球首堆熱態性能試驗完成。

  2020年9月4日,華龍一號全球首堆第一組燃料組件順利入堆。

  2020年11月27日,華龍一號全球首堆并網發電。這是世界上首個按照計劃工期推進的三代核電機組。

  可以說,中國人在三代核電建設領域打了一場漂亮的翻身仗。

  “華龍能夠順利建設,一方面在于各方大力協同,另一方面還在于核工業體系的整體進步,核心技術完全是由我們自身掌握。”邢繼說。

  不過,在邢繼看來,華龍一號全球首堆并網發電并不意味著夢想實現。特別是2018年10月11日,美國能源部發布《美國對中國民用核能合作框架》,對我國核能進口實施選擇性禁止。這使邢繼更加深刻地認識到華龍一號對國家經濟、大國政策、“一帶一路”、核工業強國、裝備制造升級的意義和價值。建成三代核電是根本,但要真正實現領跑還要形成華龍標準。因為標準是話語權。“我們不僅要輸出自己的核電,還要按照我們自己的標準去建設,這樣才能不受制于人。”

  2020年11月10日,中核集團宣布,華龍一號已形成一套完整的、自主的型號標準體系,涵蓋核電廠前期、設計、設備、建設、調試等全生命周期,可有力支撐華龍一號批量化建設和“走出去”。(盛安陵)

精品国产自在自线2