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中国核电30年“脱胎换骨”路

2021-02-04 13:07:41 中国核工业

在绵长的祖国东海岸线上,矗立着许多特殊而神秘的人工“岛”——“核岛”。

它们之中最“古老”者,也不过30年历史,但拔地而起的新核岛,技术上已经超越国际水平。

其间的代际演变,耗费了许多核工业人的心血。

中国核电起步之时,国际上发达国家的核电站建设已经开始了近30年。

1985年,中国大陆第一座自主研发的30万千瓦级核电机组在浙江海盐开建。此时,全世界已有376座核电站在运行,其中很多大功率百万千瓦级核电机组。

“秦山现场什么都没有,应该是在修海堤。海盐只有一个红绿灯。”曾为中国第一批核电站操纵员的朱晓斌回忆说。

当时,操纵员要去国外培训,费用约与之等身的黄金价值相当。这是其被称为“黄金人”的由来。

1990年,中国引进法国技术在大亚湾开建百万千瓦级核电站。一个面庞清秀的大学毕业生也成为那里的一名新人。

30年后,他将自己画作中的图景变成了实体——中国第一座具有自主知识产权的三代核电技术载体——“华龙一号”全球首堆(即福清核电5号机组)。此前,全球拥有该技术的国家只有日本、美国、法国和俄罗斯。

“当时,我们穿的防护服、安全鞋,甚至我们使用的所有办公用品全是进口的。我们有一个非常强烈的感受——真正的核心技术你是买不来的。”自从大学毕业后,邢继几乎参与了中国近30年间所有的核电站建设。建造一座完全由中国自主设计、建造、并管理运营的百万千瓦级别的核电站,是他从业以来的梦想。

“我们能够把两弹一星自己研制出来,为什么就不能研制出来自己的核电站?我们中国人也不比别人笨。”

当邢继被任命为“华龙一号”的总设计师之时,他的梦想,有了实现的可能。

从蓝图到宏图,核工业人开启了大协作“打怪”之路。

全套自主

堆芯 地点:四川成都 核动力院

堆芯是核电站的心脏,是核燃料发生裂变、释放能量的核心部件。堆芯技术如果受制于人,自主核电就无从谈起。

而此前,中国已在运行的百万千瓦级核电机组,普遍使用的都是引进自国外的157堆芯。


上世纪90年代起,中国核动力研究设计院就开始了堆芯自主研发设计的探索。

堆芯研发涉及336个系统,25个学科,计算量超乎想象;最难的是要研制出多种堆芯型号进行比较。

“我们做了157堆芯的,也做了177堆芯的、193堆芯的等等。通过多个堆芯的比较论证,确定了177堆芯。”核动力院科技委主任吴琳说。

与国际传统的157堆芯相比,数字只相差20,但拥有177堆芯的“华龙一号”,发电功率提升5%至10%,安全性也增强了。

核燃料

地点:四川宜宾 中核建中

堆芯已定,但核燃料技术仍需实现自主研发。

中核建中核燃料元件有限公司一间仓库,被称为核电“粮仓”,所谓的“粮食”,就是一些用来填充堆芯的长方柱体——燃料元件。

核燃料被烧结成二氧化铀芯块,它们被叠装在若干细长的金属管内,做成燃料棒。按照一定规则排放的燃料棒可组成核电站的燃料元件。而包裹这些燃料的金属材料,被称为锆合金,对核裂变反应起着极为重要的作用。它构成了燃料组件的“骨骼”和“皮肤”。

“这个包壳非常关键,它要包容裂变产物,又要把热能传导出来,还要有耐长期辐照的性能。” 中核建中总工程师彭海青说。

锆合金

地点:四川成都 核动力院

锆合金的性能关乎核电站的安全性和经济性,它的研制是燃料技术中最难的环节。长期以来,中国只能引进国外技术,照图加工。


2010年,核动力院的研究人员开始了自主锆合金的应用研发。

“国内当时都没有一条完整的用于锆合金生产和研发的研制线。我们就是在实验室条件下、小作坊式的研发。”中核集团CF燃料总设计师焦拥军说。

十几年、上千次的试验,研发人员才成功研制出具有自主知识产权的N36锆合金。

蒸汽发生器

地点:河北秦皇岛 设备制造厂

核电技术是把堆芯内燃料核裂变产生的热量转化为蒸汽,输送给发电机用于发电,这一关键环节需要蒸汽发生器来实现。

“华龙一号”首堆的蒸汽发生器是一个长21米、重365吨的庞然大物。

穿管,是其装配过程中较难的环节。5835根管,几乎没有一根完全相同,无法使用机器穿,需要几个工人协同精准操作,确保管子顺利穿过九层支撑板,一旦卡住,很可能会造成整个蒸汽发生器报废。

自主创新的设计,大到尺寸,小到核心部件,甚至是每一条焊缝,都跟之前制造厂生产过的不同。

为了解决设计给制造带来的困难,“华龙一号”蒸汽发生器总设计师张富源经常要往返于成都与秦皇岛的制造厂之间。

频繁而高效的沟通,是造就前所未有之华龙速度的重要原因之一。在美法等核电强国,三代核电技术首台蒸汽发生器的制造一般需要38个月左右,而“华龙一号”蒸汽发生器的制造仅仅用了27个月。

土 建

地点:福建福清 核电基地

2015年5月,“华龙一号”全球首堆在福清正式开工建设。土建工程,同样是需要攻克的难题之一。没有成熟的经验可以借鉴,没有相同的堆型可以参照,一切都要在摸索中前行。

“华龙首堆有三新:新设计、新设备、新厂家,项目控制有一系列全新的要素,需要我们通过高效的管理来推动和实现。”福清核电有限公司总经理赵皓说。

2017年5月,工程进入土建阶段最关键环节——穹顶吊装。为了这一刻,建造穹顶的上千名工人已经准备了两年。

“华龙一号”的穹顶直径46.8米,厚度仅为6毫米。风速风向的变化,很容易导致吊装钢丝绳受力不均,造成穹顶变形,无法精准落入核岛顶部最窄处,只有10毫米宽的导向槽。

这次吊装被施工团队称为“刀锋对接”。

平时让人们心旷神怡的海风,在核电站建设时却成为最让人头疼的因素,给穹顶吊装带来了难以想象的困难。

“穹顶吊装的过程,对风速要求非常高,五级风以下才能进行吊装。福清现场的实际情况,每年360多天,六级风以上的就占了200多天。我提前一个月就要测风速。把每天24小时的风速测定下来进行对比。”中核二四公司福清核电项目部副总经理王顺泽说。

最终,“华龙一号”全球首堆成功“加冕”。

多重防御

应急柴油发电机组

厂外断电后的“速效救心丸”

“华龙一号”是在一路总结全球已发生或可能发生的、不限于核电站的各类重大事故风险的过程中诞生的。

在其实际运行前,有一个重要的测试——厂外断电。

在浩大的核电站内,将有上百个系统的厂外电源同时会被人为切断,以此测试核电站在失去全部厂外电源的情况下,是否还能够保证运行的安全。这是“华龙一号”调试阶段参与人数最多、风险最高的试验之一。

日本福岛核事故暴露了一个严重缺陷——单一的电源供水系统,一旦断电将会引发灾难性后果。

为了避免悲剧重演,研发团队首先为“华龙一号”配置了“速效救心丸”——应急柴油发电机组。在核电机组自发供电和外部电网供电全部失去后,应急柴油发电机组要能够及时启动,来保证电站的安全。

厂外断电试验,就是为了验证其是否有效、可靠。

中核工程福清项目部调试部技术队队长刘光伟是失去全部厂外电源试验的统领者,他们为这项试验准备了1年多的时间。

“前期的工作没有瑕疵地完成后,我们才能做这个试验。”

福清核电调试工程师宋雨蒙在试验中主要负责风险管控,在他看来试验的目的并不是为了追求一次性成功,而是后果可控的失败。

“我们的主要目的是发现机组的隐藏缺陷,并解决问题。”

虽然准备长达一年,但试验过程只有不到一分钟。试验的执行过程,动作几乎涉及全厂设备,任何一个设备未按照预期动作,就有可能造成极其严重的后果。

最终,厂外断电试验顺利完成。

非能动安全系统

极端灾害下的自我防御模式

假设应急柴油发电机也发生故障不能发电了,这种极小概率事件的发生,必须在总设计师邢继的考量之中。

“‘华龙一号’安全设计上有五道防御体系。前面的防御体系失守,还可以退防第二道甚至第三道。为了应对类似福岛这样的核事故,我们就采用了一种叫做非能动的安全系统。”

非能动安全系统,是指在外部电源和动力完全丧失后,仅依靠重力、温差等提供动力,让冷却作用的水循环排出反应堆事故后产生的余热来保证安全。

即便有一天“华龙一号”受到“排山倒海”式的冲击,也能启动“自我防护模式”,防止福岛核事故的重演。

防人因

知识、技能、心理全覆盖

设备安全了,但再认真的人也有可能出现失误。疲劳、情绪变化、时间压力,每个因素都可能带来误操作。

每天早晨,是“华龙一号”主控室里最繁忙的时候,这里相当于核电站的大脑。所有电站运行的操作指令,都由操纵员从这里发出,他们被称为核电站的安全卫士。

福清核电运行值李栋作为这一班的值长,需要对核电站的每一个系统甚至零部件都了然于胸。要达到如此惊人的技艺,必须经历极其严苛的培训与考核。

“两年多的时间,要经历上百场考试。培训成绩合格,才能去参加操作员考试,考试还分为现场考试、笔试、口试,到最后还有心理测评。”

沉着、冷静是多数人对操纵员的第一印象,而操纵员更愿意用“保守”来定义自己的工作状态。

压力容器

把事故产生的放射物包起来

假设人为因素导致核事故已经发生,而这时所有供电系统都已损坏,非能动系统也失去了作用。“华龙一号”要如何确保事故产生的放射性物质不会泄露到外部?

邢继说:“必须有能力把它包容起来。”

反应堆压力容器是核电站重要的实体安全屏障之一,一旦堆芯损坏,它必须要把放射性物质包容在其中不能外溢 。

“华龙一号”压力容器高约11米,净重316吨,它的加工精度执行的是全球核电装备的最高标准,需要机床一刀一刀地连续切削72个小时,才能保证密封面的整体平整度,误差不超过0.05毫米。

压力容器被水平吊运进核岛后,还将迎来一个极具挑战的过程——安装。

反应堆压力容器是整座核电厂里目前唯一无法更换的关键主设备。这就要求在安装过程中,必须保证所有接口精准对位。稍有差池,造价几亿元的设备就会报废。

“压力容器在运输过程当中是水平状态的,到核岛里以后,要把它竖立起来放到堆芯里面去。这个翻转过程是现场施工难点。”中核二三公司福清项目部主设备安装现场执行总指挥李金洲说。

在起重专家、监控人员和各相关单位的密切配合下,压力容器完美地完成了安装任务。

“华龙一号”的压力容器作为重要的安全屏障,发生核裂变反应的堆芯被严密地包裹在其中,即便发生核事故,放射性物质也会被牢牢地禁锢在压力容器之中。

其设计使用年限也从之前的40年延长至60年。

双层安全壳

防止有害气体扩散、抵御极端灾害

还有什么因素会威胁到核电站的安全?这是“华龙一号”设计师时常思考的问题。

核电站中那个标志性的圆柱体建筑叫做安全壳。是整座反应堆与外界隔离的一道极为重要的安全屏障。

美国“911”事件的发生,使防止大型飞机撞击也成了“华龙一号”安全壳设计过程中要考虑的风险。

“我们设置了一个双层的安全壳,内壳主要用来应对反应堆发生事故以后,放射性气体不会在事故后扩散到环境当中。而外壳,我们重点用来抵御外部的各种极端的自然灾害,包括龙卷风、台风、飞射物,甚至包括大飞机的撞击。”邢继说。

“华龙一号”内外安全壳厚度,分别达到了1.3米和1.8米。为了可以抵御大型飞机撞击,安全壳采用了直径40毫米、目前世界上最高级别的钢筋,仅外安全壳就有4层这样的钢筋。钢筋的用量,比以往核电站增加了两倍。

“华龙一号”很大一部分建设成本都是为了追求极致的安全而设置,其安全性甚至超过了全球最高标准。

2020年11月27日,“ 华龙一号”全球首堆成功向电网输送出了第一度电。

“华龙一号”核电技术目前已经在国内展开批量化生产。同时也成为代表国家核心竞争力的“国之重器”走向世界。

“华龙一号”海外首堆——巴基斯坦卡拉奇K2/K3两个机组全部建成后,每年发电量将超过180亿千瓦时,可以支撑起巴基斯坦近三分之一的电力缺口。

除了巴基斯坦,中核集团正在与阿根廷、保加利亚、沙特、巴西、阿联酋、加纳等近60个国家商谈核电及核工业产业链合作。

“核能的发展不仅是要解决我们的能源问题。我们核技术应用的发展,也会为我们的医疗、农业、工业、其它制造业带来一些技术性革命性的变化。我们和中国核工业始终是对外、对世界开放的。”中核集团董事长余剑锋说。

随着人类文明的发展,作为文明推动力的能源需求将呈几何级数增长。核能作为未来极具潜力的能源,被寄予厚望。

中国作为世界核电领域的倡导者,在为人类寻求终极能源的路上不会缺席。




责任编辑: 江晓蓓

标签: 中国核电

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