中國核電30年“脫胎換骨”路

在綿長(cháng)的祖國東海岸線(xiàn)上，矗立著(zhù)許多特殊而神秘的人工“島”——“核島”。

它們之中最“古老”者，也不過(guò)30年歷史，但拔地而起的新核島，技術(shù)上已經(jīng)超越國際水平。

其間的代際演變，耗費了許多核工業(yè)人的心血。

中國核電起步之時(shí)，國際上發(fā)達國家的核電站建設已經(jīng)開(kāi)始了近30年。

1985年，中國大陸第一座自主研發(fā)的30萬(wàn)千瓦級核電機組在浙江海鹽開(kāi)建。此時(shí)，全世界已有376座核電站在運行，其中很多大功率百萬(wàn)千瓦級核電機組。

“秦山現場(chǎng)什么都沒(méi)有，應該是在修海堤。海鹽只有一個(gè)紅綠燈。”曾為中國第一批核電站操縱員的朱曉斌回憶說(shuō)。

當時(shí)，操縱員要去國外培訓，費用約與之等身的黃金價(jià)值相當。這是其被稱(chēng)為“黃金人”的由來(lái)。

1990年，中國引進(jìn)法國技術(shù)在大亞灣開(kāi)建百萬(wàn)千瓦級核電站。一個(gè)面龐清秀的大學(xué)畢業(yè)生也成為那里的一名新人。

30年后，他將自己畫(huà)作中的圖景變成了實(shí)體——中國第一座具有自主知識產(chǎn)權的三代核電技術(shù)載體——“華龍一號”全球首堆(即福清核電5號機組)。此前，全球擁有該技術(shù)的國家只有日本、美國、法國和俄羅斯。

“當時(shí)，我們穿的防護服、安全鞋，甚至我們使用的所有辦公用品全是進(jìn)口的。我們有一個(gè)非常強烈的感受——真正的核心技術(shù)你是買(mǎi)不來(lái)的。”自從大學(xué)畢業(yè)后，邢繼幾乎參與了中國近30年間所有的核電站建設。建造一座完全由中國自主設計、建造、并管理運營(yíng)的百萬(wàn)千瓦級別的核電站，是他從業(yè)以來(lái)的夢(mèng)想。

“我們能夠把兩彈一星自己研制出來(lái)，為什么就不能研制出來(lái)自己的核電站?我們中國人也不比別人笨。”

當邢繼被任命為“華龍一號”的總設計師之時(shí)，他的夢(mèng)想，有了實(shí)現的可能。

從藍圖到宏圖，核工業(yè)人開(kāi)啟了大協(xié)作“打怪”之路。

全套自主

堆芯 地點(diǎn)：四川成都 核動(dòng)力院

堆芯是核電站的心臟，是核燃料發(fā)生裂變、釋放能量的核心部件。堆芯技術(shù)如果受制于人，自主核電就無(wú)從談起。

而此前，中國已在運行的百萬(wàn)千瓦級核電機組，普遍使用的都是引進(jìn)自國外的157堆芯。

上世紀90年代起，中國核動(dòng)力研究設計院就開(kāi)始了堆芯自主研發(fā)設計的探索。

堆芯研發(fā)涉及336個(gè)系統，25個(gè)學(xué)科，計算量超乎想象;最難的是要研制出多種堆芯型號進(jìn)行比較。

“我們做了157堆芯的，也做了177堆芯的、193堆芯的等等。通過(guò)多個(gè)堆芯的比較論證，確定了177堆芯。”核動(dòng)力院科技委主任吳琳說(shuō)。

與國際傳統的157堆芯相比，數字只相差20，但擁有177堆芯的“華龍一號”，發(fā)電功率提升5%至10%，安全性也增強了。

核燃料

地點(diǎn)：四川宜賓 中核建中

堆芯已定，但核燃料技術(shù)仍需實(shí)現自主研發(fā)。

中核建中核燃料元件有限公司一間倉庫，被稱(chēng)為核電“糧倉”，所謂的“糧食”，就是一些用來(lái)填充堆芯的長(cháng)方柱體——燃料元件。

核燃料被燒結成二氧化鈾芯塊，它們被疊裝在若干細長(cháng)的金屬管內，做成燃料棒。按照一定規則排放的燃料棒可組成核電站的燃料元件。而包裹這些燃料的金屬材料，被稱(chēng)為鋯合金，對核裂變反應起著(zhù)極為重要的作用。它構成了燃料組件的“骨骼”和“皮膚”。

“這個(gè)包殼非常關(guān)鍵，它要包容裂變產(chǎn)物，又要把熱能傳導出來(lái)，還要有耐長(cháng)期輻照的性能。” 中核建中總工程師彭海青說(shuō)。

鋯合金

地點(diǎn)：四川成都 核動(dòng)力院

鋯合金的性能關(guān)乎核電站的安全性和經(jīng)濟性，它的研制是燃料技術(shù)中最難的環(huán)節。長(cháng)期以來(lái)，中國只能引進(jìn)國外技術(shù)，照圖加工。

2010年，核動(dòng)力院的研究人員開(kāi)始了自主鋯合金的應用研發(fā)。

“國內當時(shí)都沒(méi)有一條完整的用于鋯合金生產(chǎn)和研發(fā)的研制線(xiàn)。我們就是在實(shí)驗室條件下、小作坊式的研發(fā)。”中核集團CF燃料總設計師焦擁軍說(shuō)。

十幾年、上千次的試驗，研發(fā)人員才成功研制出具有自主知識產(chǎn)權的N36鋯合金。

蒸汽發(fā)生器

地點(diǎn)：河北秦皇島 設備制造廠(chǎng)

核電技術(shù)是把堆芯內燃料核裂變產(chǎn)生的熱量轉化為蒸汽，輸送給發(fā)電機用于發(fā)電，這一關(guān)鍵環(huán)節需要蒸汽發(fā)生器來(lái)實(shí)現。

“華龍一號”首堆的蒸汽發(fā)生器是一個(gè)長(cháng)21米、重365噸的龐然大物。

穿管，是其裝配過(guò)程中較難的環(huán)節。5835根管，幾乎沒(méi)有一根完全相同，無(wú)法使用機器穿，需要幾個(gè)工人協(xié)同精準操作，確保管子順利穿過(guò)九層支撐板，一旦卡住，很可能會(huì )造成整個(gè)蒸汽發(fā)生器報廢。

自主創(chuàng )新的設計，大到尺寸，小到核心部件，甚至是每一條焊縫，都跟之前制造廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)的不同。

為了解決設計給制造帶來(lái)的困難，“華龍一號”蒸汽發(fā)生器總設計師張富源經(jīng)常要往返于成都與秦皇島的制造廠(chǎng)之間。

頻繁而高效的溝通，是造就前所未有之華龍速度的重要原因之一。在美法等核電強國，三代核電技術(shù)首臺蒸汽發(fā)生器的制造一般需要38個(gè)月左右，而“華龍一號”蒸汽發(fā)生器的制造僅僅用了27個(gè)月。

土 建

地點(diǎn)：福建福清 核電基地

2015年5月，“華龍一號”全球首堆在福清正式開(kāi)工建設。土建工程，同樣是需要攻克的難題之一。沒(méi)有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，沒(méi)有相同的堆型可以參照，一切都要在摸索中前行。

“華龍首堆有三新：新設計、新設備、新廠(chǎng)家，項目控制有一系列全新的要素，需要我們通過(guò)高效的管理來(lái)推動(dòng)和實(shí)現。”福清核電有限公司總經(jīng)理趙皓說(shuō)。

2017年5月，工程進(jìn)入土建階段最關(guān)鍵環(huán)節——穹頂吊裝。為了這一刻，建造穹頂的上千名工人已經(jīng)準備了兩年。

“華龍一號”的穹頂直徑46.8米，厚度僅為6毫米。風(fēng)速風(fēng)向的變化，很容易導致吊裝鋼絲繩受力不均，造成穹頂變形，無(wú)法精準落入核島頂部最窄處，只有10毫米寬的導向槽。

這次吊裝被施工團隊稱(chēng)為“刀鋒對接”。

平時(shí)讓人們心曠神怡的海風(fēng)，在核電站建設時(shí)卻成為最讓人頭疼的因素，給穹頂吊裝帶來(lái)了難以想象的困難。

“穹頂吊裝的過(guò)程，對風(fēng)速要求非常高，五級風(fēng)以下才能進(jìn)行吊裝。福清現場(chǎng)的實(shí)際情況，每年360多天，六級風(fēng)以上的就占了200多天。我提前一個(gè)月就要測風(fēng)速。把每天24小時(shí)的風(fēng)速測定下來(lái)進(jìn)行對比。”中核二四公司福清核電項目部副總經(jīng)理王順澤說(shuō)。

最終，“華龍一號”全球首堆成功“加冕”。

多重防御

應急柴油發(fā)電機組

廠(chǎng)外斷電后的“速效救心丸”

“華龍一號”是在一路總結全球已發(fā)生或可能發(fā)生的、不限于核電站的各類(lèi)重大事故風(fēng)險的過(guò)程中誕生的。

在其實(shí)際運行前，有一個(gè)重要的測試——廠(chǎng)外斷電。

在浩大的核電站內，將有上百個(gè)系統的廠(chǎng)外電源同時(shí)會(huì )被人為切斷，以此測試核電站在失去全部廠(chǎng)外電源的情況下，是否還能夠保證運行的安全。這是“華龍一號”調試階段參與人數最多、風(fēng)險最高的試驗之一。

日本福島核事故暴露了一個(gè)嚴重缺陷——單一的電源供水系統，一旦斷電將會(huì )引發(fā)災難性后果。

為了避免悲劇重演，研發(fā)團隊首先為“華龍一號”配置了“速效救心丸”——應急柴油發(fā)電機組。在核電機組自發(fā)供電和外部電網(wǎng)供電全部失去后，應急柴油發(fā)電機組要能夠及時(shí)啟動(dòng)，來(lái)保證電站的安全。

廠(chǎng)外斷電試驗，就是為了驗證其是否有效、可靠。

中核工程福清項目部調試部技術(shù)隊隊長(cháng)劉光偉是失去全部廠(chǎng)外電源試驗的統領(lǐng)者，他們?yōu)檫@項試驗準備了1年多的時(shí)間。

“前期的工作沒(méi)有瑕疵地完成后，我們才能做這個(gè)試驗。”

福清核電調試工程師宋雨蒙在試驗中主要負責風(fēng)險管控，在他看來(lái)試驗的目的并不是為了追求一次性成功，而是后果可控的失敗。

“我們的主要目的是發(fā)現機組的隱藏缺陷，并解決問(wèn)題。”

雖然準備長(cháng)達一年，但試驗過(guò)程只有不到一分鐘。試驗的執行過(guò)程，動(dòng)作幾乎涉及全廠(chǎng)設備，任何一個(gè)設備未按照預期動(dòng)作，就有可能造成極其嚴重的后果。

最終，廠(chǎng)外斷電試驗順利完成。

非能動(dòng)安全系統

極端災害下的自我防御模式

假設應急柴油發(fā)電機也發(fā)生故障不能發(fā)電了，這種極小概率事件的發(fā)生，必須在總設計師邢繼的考量之中。

“‘華龍一號’安全設計上有五道防御體系。前面的防御體系失守，還可以退防第二道甚至第三道。為了應對類(lèi)似福島這樣的核事故，我們就采用了一種叫做非能動(dòng)的安全系統。”

非能動(dòng)安全系統，是指在外部電源和動(dòng)力完全喪失后，僅依靠重力、溫差等提供動(dòng)力，讓冷卻作用的水循環(huán)排出反應堆事故后產(chǎn)生的余熱來(lái)保證安全。

即便有一天“華龍一號”受到“排山倒海”式的沖擊，也能啟動(dòng)“自我防護模式”，防止福島核事故的重演。

防人因

知識、技能、心理全覆蓋

設備安全了，但再認真的人也有可能出現失誤。疲勞、情緒變化、時(shí)間壓力，每個(gè)因素都可能帶來(lái)誤操作。

每天早晨，是“華龍一號”主控室里最繁忙的時(shí)候，這里相當于核電站的大腦。所有電站運行的操作指令，都由操縱員從這里發(fā)出，他們被稱(chēng)為核電站的安全衛士。

福清核電運行值李棟作為這一班的值長(cháng)，需要對核電站的每一個(gè)系統甚至零部件都了然于胸。要達到如此驚人的技藝，必須經(jīng)歷極其嚴苛的培訓與考核。

“兩年多的時(shí)間，要經(jīng)歷上百場(chǎng)考試。培訓成績(jì)合格，才能去參加操作員考試，考試還分為現場(chǎng)考試、筆試、口試，到最后還有心理測評。”

沉著(zhù)、冷靜是多數人對操縱員的第一印象，而操縱員更愿意用“保守”來(lái)定義自己的工作狀態(tài)。

壓力容器

把事故產(chǎn)生的放射物包起來(lái)

假設人為因素導致核事故已經(jīng)發(fā)生，而這時(shí)所有供電系統都已損壞，非能動(dòng)系統也失去了作用。“華龍一號”要如何確保事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)不會(huì )泄露到外部?

邢繼說(shuō)：“必須有能力把它包容起來(lái)。”

反應堆壓力容器是核電站重要的實(shí)體安全屏障之一，一旦堆芯損壞，它必須要把放射性物質(zhì)包容在其中不能外溢 。

“華龍一號”壓力容器高約11米，凈重316噸，它的加工精度執行的是全球核電裝備的最高標準，需要機床一刀一刀地連續切削72個(gè)小時(shí)，才能保證密封面的整體平整度，誤差不超過(guò)0.05毫米。

壓力容器被水平吊運進(jìn)核島后，還將迎來(lái)一個(gè)極具挑戰的過(guò)程——安裝。

反應堆壓力容器是整座核電廠(chǎng)里目前唯一無(wú)法更換的關(guān)鍵主設備。這就要求在安裝過(guò)程中，必須保證所有接口精準對位。稍有差池，造價(jià)幾億元的設備就會(huì )報廢。

“壓力容器在運輸過(guò)程當中是水平狀態(tài)的，到核島里以后，要把它豎立起來(lái)放到堆芯里面去。這個(gè)翻轉過(guò)程是現場(chǎng)施工難點(diǎn)。”中核二三公司福清項目部主設備安裝現場(chǎng)執行總指揮李金洲說(shuō)。

在起重專(zhuān)家、監控人員和各相關(guān)單位的密切配合下，壓力容器完美地完成了安裝任務(wù)。

“華龍一號”的壓力容器作為重要的安全屏障，發(fā)生核裂變反應的堆芯被嚴密地包裹在其中，即便發(fā)生核事故，放射性物質(zhì)也會(huì )被牢牢地禁錮在壓力容器之中。

其設計使用年限也從之前的40年延長(cháng)至60年。

雙層安全殼

防止有害氣體擴散、抵御極端災害

還有什么因素會(huì )威脅到核電站的安全?這是“華龍一號”設計師時(shí)常思考的問(wèn)題。

核電站中那個(gè)標志性的圓柱體建筑叫做安全殼。是整座反應堆與外界隔離的一道極為重要的安全屏障。

美國“911”事件的發(fā)生，使防止大型飛機撞擊也成了“華龍一號”安全殼設計過(guò)程中要考慮的風(fēng)險。

“我們設置了一個(gè)雙層的安全殼，內殼主要用來(lái)應對反應堆發(fā)生事故以后，放射性氣體不會(huì )在事故后擴散到環(huán)境當中。而外殼，我們重點(diǎn)用來(lái)抵御外部的各種極端的自然災害，包括龍卷風(fēng)、臺風(fēng)、飛射物，甚至包括大飛機的撞擊。”邢繼說(shuō)。

“華龍一號”內外安全殼厚度，分別達到了1.3米和1.8米。為了可以抵御大型飛機撞擊，安全殼采用了直徑40毫米、目前世界上最高級別的鋼筋，僅外安全殼就有4層這樣的鋼筋。鋼筋的用量，比以往核電站增加了兩倍。

“華龍一號”很大一部分建設成本都是為了追求極致的安全而設置，其安全性甚至超過(guò)了全球最高標準。

2020年11月27日，“ 華龍一號”全球首堆成功向電網(wǎng)輸送出了第一度電。

“華龍一號”核電技術(shù)目前已經(jīng)在國內展開(kāi)批量化生產(chǎn)。同時(shí)也成為代表國家核心競爭力的“國之重器”走向世界。

“華龍一號”海外首堆——巴基斯坦卡拉奇K2/K3兩個(gè)機組全部建成后，每年發(fā)電量將超過(guò)180億千瓦時(shí)，可以支撐起巴基斯坦近三分之一的電力缺口。

除了巴基斯坦，中核集團正在與阿根廷、保加利亞、沙特、巴西、阿聯(lián)酋、加納等近60個(gè)國家商談核電及核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈合作。

“核能的發(fā)展不僅是要解決我們的能源問(wèn)題。我們核技術(shù)應用的發(fā)展，也會(huì )為我們的醫療、農業(yè)、工業(yè)、其它制造業(yè)帶來(lái)一些技術(shù)性革命性的變化。我們和中國核工業(yè)始終是對外、對世界開(kāi)放的。”中核集團董事長(cháng)余劍鋒說(shuō)。

隨著(zhù)人類(lèi)文明的發(fā)展，作為文明推動(dòng)力的能源需求將呈幾何級數增長(cháng)。核能作為未來(lái)極具潛力的能源，被寄予厚望。

中國作為世界核電領(lǐng)域的倡導者，在為人類(lèi)尋求終極能源的路上不會(huì )缺席。