2023年12月6日，山東威海榮成石島灣，中國(guó)核能領(lǐng)域迎來振奮人心的歷史性時(shí)刻：高溫氣冷堆核電站示范工程正式投入商業(yè)運(yùn)行。這是全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的第四代核電站，標(biāo)志著中國(guó)在第四代核能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
從2006年初被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)到總體方案被批準(zhǔn)實(shí)施，再到示范工程開工；從工程建設(shè)完成并達(dá)到臨界狀態(tài)，再到成功投入商業(yè)運(yùn)行，中國(guó)高溫氣冷堆核電站技術(shù)艱苦跋涉了約20年。讓我非常自豪的是，作為該項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師、專職技術(shù)責(zé)任人、技術(shù)總師和現(xiàn)場(chǎng)副總指揮，我見證并領(lǐng)銜參與了中國(guó)高溫氣冷堆核電站從規(guī)劃和設(shè)計(jì)藍(lán)圖到成為生動(dòng)現(xiàn)實(shí)的整個(gè)過程。
“卻顧所來徑，蒼蒼橫翠微。”我時(shí)常回想起那些揮汗如雨、日夜兼程的戰(zhàn)斗歲月，眼前浮現(xiàn)出與清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院的同事研討解決高溫氣冷堆技術(shù)難題的一個(gè)個(gè)場(chǎng)景，浮現(xiàn)出與來自華能集團(tuán)、中核集團(tuán)以及設(shè)備制造商等協(xié)作伙伴并肩作戰(zhàn)、合力攻關(guān)的一件件往事。
我們自強(qiáng)不息、厚德載物。
我們知難而進(jìn)、眾志成城。
我們不負(fù)重托、不辱使命。
采用新型燃料和冷卻劑
備受矚目
石島灣高溫氣冷堆核電站是1979年美國(guó)三哩島核電站事故以來建設(shè)并商運(yùn)投產(chǎn)的第一個(gè)創(chuàng)新型首臺(tái)套核電示范工程，一直備受矚目。與傳統(tǒng)核電站一般采用鋯合金棒狀燃料和水冷卻劑不同，石島灣高溫氣冷堆核電站采用碳化硅包覆顆粒燃料和氦氣冷卻劑，面對(duì)諸多難題。實(shí)際上，僅就核燃料研發(fā)生產(chǎn)難度而言，在當(dāng)代工程技術(shù)中，大概只有航空發(fā)動(dòng)機(jī)、芯片制造能與之相比。
完成輻照試驗(yàn)是石島灣高溫氣冷堆核電站碳化硅包覆顆粒燃料面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。反應(yīng)堆堆芯材料，尤其是核燃料要達(dá)到使用條件，必須先在與實(shí)際核反應(yīng)堆運(yùn)行相同輻照環(huán)境下，經(jīng)受全壽期考驗(yàn)。這種輻照考驗(yàn)要進(jìn)行多次，不僅技術(shù)難度極高，而且耗資大，執(zhí)行周期很長(zhǎng)。
核安全監(jiān)管是和平利用核能的基石。中國(guó)業(yè)已構(gòu)建了完備的國(guó)家核安全監(jiān)管體系，覆蓋核電廠址選擇、建造許可證發(fā)放、核電設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造、核電運(yùn)行、核電從業(yè)人員的培訓(xùn)等全過程。石島灣高溫氣冷堆核電站所有技術(shù)創(chuàng)新都是在嚴(yán)格遵守國(guó)家核安全監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，這既充分保障了核電站的安全性，也決定了推進(jìn)每項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新都面臨極其嚴(yán)苛的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則的考驗(yàn)。
在實(shí)驗(yàn)堆基礎(chǔ)上建設(shè)示范工程
奮勇跨越
中國(guó)高溫氣冷堆核能技術(shù)研發(fā)始于20世紀(jì)80年代初，在中國(guó)科學(xué)院院士王大中等的帶領(lǐng)下，清華大學(xué)開始先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)，依托國(guó)家“863”計(jì)劃支持于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。
我從2001年開始擔(dān)任清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院院長(zhǎng)并主持有關(guān)工作。2003年，清華大學(xué)10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆建成運(yùn)行后，有關(guān)部門開始考慮推動(dòng)建設(shè)一個(gè)工業(yè)規(guī)模放大數(shù)十倍的模塊式高溫氣冷堆核電站作為示范工程。同年，清華大學(xué)與中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)聯(lián)合創(chuàng)立了中核能源科技有限公司，作為產(chǎn)業(yè)化合作平臺(tái)。第二年，中國(guó)華能集團(tuán)、中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)與清華大學(xué)簽署聯(lián)合協(xié)議，組建華能山東石島灣核電有限公司作為項(xiàng)目業(yè)主公司。各方精誠合作，開始攜手推進(jìn)示范工程落地。
多方鼎力支持高溫氣冷堆核電站示范工程建設(shè)。原國(guó)防科工委的核能開發(fā)項(xiàng)目在工程設(shè)計(jì)方面給予支持，原國(guó)家電力公司在工程技術(shù)方案選擇研究方面提供支撐。2005年，高溫氣冷堆核電站示范工程總體技術(shù)方案基本完成，并簽署了業(yè)主合作協(xié)議，確定山東榮成石島灣為項(xiàng)目選址地，組建了產(chǎn)業(yè)化合作團(tuán)隊(duì)。2006年，高溫氣冷堆核電站示范工程項(xiàng)目被列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，成為16個(gè)重大專項(xiàng)之一“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”的分項(xiàng)，中國(guó)第四代核能技術(shù)創(chuàng)新由此進(jìn)入示范工程建設(shè)新階段。
示范工程建成商運(yùn)投產(chǎn)
玉汝于成
2012年12月9日，高溫氣冷堆核電站示范工程在石島灣澆筑第一罐混凝土，正式拉開建設(shè)序幕。在此后10年間，我們產(chǎn)學(xué)研合作團(tuán)隊(duì)在國(guó)務(wù)院相關(guān)部委和國(guó)家能源局的領(lǐng)導(dǎo)下，披荊斬棘，攻克一道道難關(guān)，迎來一座座工程建設(shè)里程碑：2015年，現(xiàn)場(chǎng)土建工程全部完成，廠房封頂；2016年3月和9月，兩臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器分別制造完成并在石島灣現(xiàn)場(chǎng)安裝就位；2018年5月和10月，首臺(tái)燃料裝卸系統(tǒng)和2套堆內(nèi)構(gòu)件安裝完成；2020年10月19日，首堆一回路冷態(tài)功能試驗(yàn)一次成功；2021年9月，工程建成并實(shí)現(xiàn)首次臨界；2023年12月，順利完成168小時(shí)持續(xù)運(yùn)行考核，開始投產(chǎn)運(yùn)行。
在我們所攻克的示范工程諸多技術(shù)難關(guān)中，有兩道可以名列當(dāng)代最為艱難的核電技術(shù)行列。
一道難關(guān)是大批量生產(chǎn)碳化硅包覆顆粒球形核燃料元件。該球形燃料元件每件有1.2萬個(gè)三層包覆TRISO型燃料顆粒，用來包容核裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)，每個(gè)顆粒直徑不到1毫米。根據(jù)測(cè)算，滿足示范工程對(duì)包覆顆粒的需求，年產(chǎn)能須達(dá)到30萬個(gè)球形燃料元件、36億個(gè)包覆顆粒。
為了解決包覆顆粒球形核燃料元件大規(guī)模工業(yè)制造難題，我們?cè)谇迦A大學(xué)預(yù)先建設(shè)了一條原型生產(chǎn)線，進(jìn)行全范圍的實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，之后將批量生產(chǎn)出的燃料元件樣品送到專門的高通量反應(yīng)堆中開展輻照考驗(yàn)并獲得了很好結(jié)果。以清華大學(xué)上述技術(shù)為依托，由中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)主持，在內(nèi)蒙古包頭北方核燃料公司開工建設(shè)了全球規(guī)模最大的碳化硅包覆顆粒核燃料元件工廠，解決了示范工程核燃料元件自主制造問題。類似的碳化硅包覆顆粒核燃料生產(chǎn)廠在美國(guó)于2022年宣布開工建設(shè)。
另一道技術(shù)難關(guān)是掌握反應(yīng)堆用氦氣冷卻技術(shù)及研制一系列相關(guān)首臺(tái)套核心關(guān)鍵設(shè)備。氦氣是一種原子量?jī)H多于氫氣的小分子惰性氣體，極難密封，在工業(yè)上被用作探測(cè)泄漏的氣體。要把幾萬標(biāo)方的氦氣包容在一個(gè)運(yùn)行壓力為70個(gè)大氣壓、裝有各種設(shè)備的反應(yīng)堆里，是個(gè)巨大的工程技術(shù)挑戰(zhàn)。我們?cè)诜磻?yīng)堆用氦氣冷卻及氦氣密封上做了大量研究和試驗(yàn)，成功解決了這一難題。石島灣高溫氣冷堆核電站經(jīng)過運(yùn)行考驗(yàn)，表明氦氣密封滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到非常高的水平。
為了突破反應(yīng)堆用氦氣冷卻關(guān)鍵技術(shù)，我們?cè)谇迦A大學(xué)昌平基地建設(shè)了一個(gè)全球規(guī)模最大的、熱功率達(dá)到10兆瓦的大型氦氣工程實(shí)驗(yàn)設(shè)施。該設(shè)施可以模擬反應(yīng)堆的高溫高壓氦氣環(huán)境，用于測(cè)試工廠中試制的首臺(tái)套大型設(shè)備，例如主氦風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器、燃料裝卸系統(tǒng)、控制棒、吸收球系統(tǒng)等，讓它們?cè)谶M(jìn)反應(yīng)堆之前完成全工況長(zhǎng)時(shí)間考驗(yàn)。這個(gè)氦氣工程實(shí)驗(yàn)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)氦氣冷卻技術(shù)突破的主要支撐性設(shè)施。相關(guān)裝備經(jīng)過氦氣環(huán)境試驗(yàn)一旦被發(fā)現(xiàn)有問題，就必須更新設(shè)計(jì)，返回工廠改造，之后再進(jìn)行試驗(yàn)。如此往復(fù)，直到完全符合要求。
我們?cè)谏鲜鲞^程中遇到了很多困難。有的是世界首臺(tái)，必須正面強(qiáng)攻；有的是原來設(shè)計(jì)的方案不適宜工程化，需要變更；還有的是國(guó)外有獨(dú)特技術(shù)能完成，而國(guó)內(nèi)短期無法突破，必須另尋他途。
玉汝于成，功不唐捐。我們憑著勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神，憑著集智攻關(guān)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的協(xié)同精神，解決一個(gè)又一個(gè)科技難題，研制出世界創(chuàng)新型首臺(tái)套的核心關(guān)鍵設(shè)備，形成了一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了一系列從圖紙到現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵科技突破。
為第四代核能奠定基礎(chǔ)
贏得點(diǎn)贊
石島灣高溫氣冷堆核電站建設(shè)成就在海內(nèi)外引起關(guān)注，贏得廣泛報(bào)道和評(píng)論。
在兩院院士評(píng)選的2023年中國(guó)十大科技進(jìn)展中，石島灣高溫氣冷堆核電站商運(yùn)投產(chǎn)成功入選。在2024年全國(guó)兩會(huì)的《政府工作報(bào)告》中，石島灣高溫氣冷堆核電站順利投運(yùn)被視為中國(guó)第四代核電機(jī)組等高端裝備研制取得長(zhǎng)足進(jìn)展的代表性成就。
國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)總干事在慶祝該核電站投產(chǎn)的賀信中表示，作為全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的球床模塊式高溫氣冷堆核電站，石島灣核電站投入商運(yùn)恰逢氣候變化大會(huì)召開之際，極大地鼓舞了國(guó)際核工業(yè)界。對(duì)石島灣核電站商運(yùn)投產(chǎn)，路透社刊發(fā)了題為《中國(guó)啟動(dòng)全球首座第四代核反應(yīng)堆》的報(bào)道。《華爾街日?qǐng)?bào)》在相關(guān)報(bào)道中指出，一個(gè)更加安全和高效的下一代反應(yīng)堆在中國(guó)東部開始商業(yè)運(yùn)行，讓該國(guó)在核能領(lǐng)域獲得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》刊文指出，石島灣高溫氣冷堆核電站是第四代核反應(yīng)堆的一個(gè)例證，科學(xué)家們希望這些第四代核反應(yīng)堆能夠更安全、更高效地發(fā)電；許多國(guó)家都在努力開發(fā)它們，但只有中國(guó)擁有一座商業(yè)規(guī)模的核電站；中國(guó)通過實(shí)驗(yàn)證明，第四代核反應(yīng)堆的理論安全優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐中是有效的。
獲批建設(shè)后續(xù)商業(yè)化機(jī)組
未來可期
石島灣高溫氣冷堆核電站為第四代核能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用積累了成功經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)項(xiàng)目建設(shè)開辟了廣闊道路。
2024年8月，中核集團(tuán)江蘇徐圩核電一期工程獲得國(guó)務(wù)院核準(zhǔn)，建設(shè)1臺(tái)60萬千瓦級(jí)高溫氣冷堆核電機(jī)組與兩臺(tái)華龍一號(hào)核電機(jī)組，共同為化工園區(qū)提供高溫高壓蒸汽及發(fā)電，這標(biāo)志著后續(xù)商業(yè)化高溫氣冷堆核電機(jī)組建設(shè)工作進(jìn)入實(shí)施前期階段。根據(jù)計(jì)劃，該工程建成后將年提供工業(yè)蒸汽3250萬噸，發(fā)電超過110億千瓦時(shí)，減排二氧化碳1960萬噸。
值得一提的是，石島灣高溫氣冷堆核電站是國(guó)際模塊化小型反應(yīng)堆建設(shè)成就的新銳代表。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)最新公布的信息，全球正在開發(fā)的模塊化小型反應(yīng)堆超過68種，有兩座已經(jīng)建成并進(jìn)入運(yùn)行階段，而中國(guó)的石島灣高溫氣冷堆核電站就是其中之一，并且是目前全球唯一采用第四代核能技術(shù)的模塊化小型反應(yīng)堆，引領(lǐng)國(guó)際模塊化小型反應(yīng)堆的發(fā)展。
從實(shí)驗(yàn)堆到工業(yè)示范電站，中國(guó)核電科技工作者在高溫氣冷堆核電技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域奮力攀登了約20載。我們接續(xù)奮斗，矢志不渝，把對(duì)祖國(guó)的熾熱深情，把對(duì)科學(xué)真理的探索激情，融入科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)和中華民族偉大復(fù)興的偉業(yè)中，終于到達(dá)國(guó)際核電科技發(fā)展最前沿。走筆至此，我想表達(dá)感謝之情，感謝與我共同奮斗的團(tuán)隊(duì)成員，感謝所有合作伙伴。
核能創(chuàng)新永無止境，核能和平利用前景無限。讓我們繼續(xù)攜手奮斗，進(jìn)一步提高和完善高溫氣冷堆核能技術(shù)，為推進(jìn)強(qiáng)核強(qiáng)國(guó)建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。
（作者為高溫氣冷堆核電站國(guó)家科技重大專項(xiàng)總設(shè)計(jì)師，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院總工程師、原院長(zhǎng)）
編輯：李華山
