相較于第二代核電技術(shù)30萬千瓦的電功率，第三代核電技術(shù)電功率需要突破135萬千瓦，對非能動安全和主要設(shè)備來說，就是那個大門檻。
核能是人類最具希望的未來能源之一，核能的應(yīng)用和發(fā)展水平，是一個國家綜合工業(yè)實力的體現(xiàn)，是大國競爭的主陣地，核電技術(shù)則是核能應(yīng)用的重要具體場景。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，全球核電應(yīng)用歷程也走過了67個春秋。
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)主要是以實驗研究堆為主。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)建成的核電稱為二代。美國三里島核事故發(fā)生后，全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識進(jìn)一步提升，先進(jìn)核電國家針對核電設(shè)計、運行安全等方面進(jìn)行了充分認(rèn)識與分析評估，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)運而生。
長期以來，根據(jù)外方的合作協(xié)議，只有電功率超過135萬千瓦，我國才能擁有三代非能動核電的自主知識產(chǎn)權(quán)。135萬千瓦，對非能動安全、主要設(shè)備來說是個“大門檻”，不掌握核心技術(shù)，這個“大門檻”就過不去。因此，我國一直沒能完全掌握三代非能動核電的自主知識產(chǎn)權(quán)，這也成為了制約我國在能源領(lǐng)域發(fā)展的“卡脖子”重點問題。
道阻且長，行則將至。經(jīng)過十二年的探索，在2020年9月28日，135萬千瓦這個“大門檻”中國終于邁過去了。在這天，國家電投集團(tuán)公司正式發(fā)布了我國三代核電自主化標(biāo)志性成果——中國自主核電技術(shù)品牌、世界先進(jìn)三代核電型號“國和一號”。
135萬千瓦的“大門檻”擺在面前
核電，是利用原子核內(nèi)部蘊藏的能量產(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。
對于核電技術(shù)的應(yīng)用，前蘇聯(lián)早在1954年就開始了實驗。當(dāng)時，第一代核電技術(shù)即早期原型反應(yīng)堆，主要目的是為通過試驗示范形式來驗證核電在工程實施上的可行性。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。
到了上世紀(jì)九十年代，美國三里島核事故發(fā)生后，全球?qū)穗姲踩恼J(rèn)識進(jìn)一步提升，先進(jìn)核電國家針對核電設(shè)計、運行安全等方面進(jìn)行了充分認(rèn)識與分析評估，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)運而生。
然而，我國運行的核電站大多也為第二代改進(jìn)型。也就是說，這數(shù)十年的時間里，我國一直沒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)30萬千瓦的電功率，第三代核電技術(shù)電功率需要突破135萬千瓦，對非能動安全和主要設(shè)備來說，就是那個大門檻，“這不是簡單的等比例放大，而是要具備自主設(shè)計、研制和試驗的能力——不掌握核心技術(shù)，這個大門檻就邁不過去。”大型先進(jìn)壓水堆核電站國家科技重大專項總設(shè)計師、國家電力投資集團(tuán)有限公司核能總工程師鄭明光說。
歷經(jīng)12年突破重重難關(guān)
自2008年起，從核電“大動脈”主管道到“心臟”主泵，從“大腦”核設(shè)計與安全分析軟件到“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，對“國和一號”頂層設(shè)計方案進(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，實現(xiàn)型號總體安全經(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)隊在關(guān)鍵核心技術(shù)上狠下功夫，一項項空白逐步掃清。以“國和一號”控制棒驅(qū)動線試驗的技術(shù)攻關(guān)這項任務(wù)為例，2015年起，“國和一號”項目組的陳宇清擔(dān)此重任，連續(xù)一個多月的時間里，為保證試驗的準(zhǔn)確性，任何外界，包括附近行駛車輛的干擾都要盡量避免。陳宇清帶頭從晚上8點鐘開始做試驗，直到凌晨3點鐘結(jié)束。看凌晨4點的上海，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)動機(jī)構(gòu)自主設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。
經(jīng)過長時間的技術(shù)攻關(guān)，各個企業(yè)、機(jī)構(gòu)的鼎力相助，依靠產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，“國和一號”成功打破多項材料及設(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、核級鋯材、690U型管等關(guān)鍵設(shè)備材料全部實現(xiàn)自主化設(shè)計和國產(chǎn)化制造，性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
有媒體為國和一號算了這樣一筆“賬”：72小時、56個月、60年、153.4萬千瓦。這些數(shù)字可以換算成“國和一號”安全、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的效果圖：采用非能動安全系統(tǒng)、事故后無須人工干預(yù)時間為72小時，建造周期56個月，電站整體和主體設(shè)備壽命60年，單機(jī)組發(fā)電功率153.4萬千瓦……
大國重器設(shè)備國產(chǎn)化率超90%
自2008年啟動項目研發(fā)，600多家單位、31000余名技術(shù)人員參與，累計形成知識產(chǎn)權(quán)成果超過7600項，設(shè)備國產(chǎn)化率超過90%……“國和一號”的履歷，正是億萬中國人凝心聚力問鼎世界強(qiáng)國的縮影。
“國和一號”單臺機(jī)組中，超過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1萬多根用于熱交換的U型管，總長超過300公里……一項項數(shù)據(jù)足以說明“國和一號”是名副其實的“國之重器”。
通俗來講，“國和一號”年發(fā)電量114億千瓦時。按照2020年全國年人均用電量預(yù)計達(dá)5000千瓦時計算，“國和一號”單臺機(jī)組年發(fā)電量可滿足2280萬居民的用電需求。
而對于掌握了第三代核電技術(shù)150萬千瓦級的核電機(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900萬噸，減排二氧化硫3.9萬噸，減排氮氧化物2.1萬噸，減排煙塵0.5萬噸。減排氣體量相當(dāng)于種植1470平方公里森林。
結(jié)語
根據(jù)國家電投的規(guī)劃，到2023年，“國和一號”將全面實現(xiàn)100%設(shè)備國產(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)上有顯著競爭優(yōu)勢”的三代核電產(chǎn)業(yè)鏈。
通過設(shè)計工作牽引制造企業(yè)能力提升，又通過制造過程的經(jīng)驗反饋反哺設(shè)計水平提高，在相互作用、共同成長中，“國和一號”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。這是國家電投的又一次突破，而未來以國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)。
