從“求分享”到“走出去”

——專訪核電專項技術(shù)總師鄭明光、張作義

來源：科技日報 6-2 李艷

“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電”國家科技重大專項是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中涉及的16個國家科技重大專項之一。

借助于該專項的支持，壓水堆重大專項示范工程CAP1400實現(xiàn)了自主化和國產(chǎn)化，使我國核電產(chǎn)業(yè)鏈擺脫了受制于人的局面；山東省榮成石島灣核電廠的興建讓中國的高溫氣冷堆從“跟跑”走向“領(lǐng)跑”；核電企業(yè)補(bǔ)齊了短板，裝備制造能力實現(xiàn)了跨越；一大批頂尖核電人才逐漸成長起來。

5月14日至15日，在北京主辦“一帶一路”國際合作高峰論壇吸引了全世界的目光。

在清華大學(xué)能科樓見到國家科技重大專項高溫氣冷堆核電站示范工程總設(shè)計師、清華大學(xué)核研院院長張作義時，他剛從“一帶一路”活動的現(xiàn)場趕回來，因為沙特的能源部負(fù)責(zé)人想跟他聊聊高溫氣冷堆的事。這是今年3月16日，中沙兩國簽署《沙特高溫氣冷堆項目聯(lián)合可行性研究合作協(xié)議》后雙方在技術(shù)層面的再次深入交流。

在經(jīng)歷了10年的快速發(fā)展之后，高溫氣冷堆終于走在了世界前沿，邁開了“走出去”的步伐。沙特、印尼等國家都對高溫氣冷堆表現(xiàn)出濃厚興趣，與我國達(dá)成了多項合作協(xié)議。這些成績讓張作義“很開心”。

同樣“開心”的還有國家科技重大專項大型先進(jìn)壓水堆核電站總設(shè)計師、上海核工程研究設(shè)計院院長鄭明光。CAP1400已經(jīng)成為我國核電“走出去”的名片，土耳其、南非等已經(jīng)與我國就CAP1400技術(shù)合作開展了深度交流，簽訂了相關(guān)合作協(xié)議。

“今日的成績，是數(shù)十年的技術(shù)積累和對國外技術(shù)的消化吸收，是‘大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電’國家科技重大專項（簡稱專項）10年上下一心沖鋒陷陣，是幾代科學(xué)家的不懈努力才有的結(jié)果，來之不易。”張作義說。

10年，壓水堆技術(shù)青出于藍(lán)更勝于藍(lán)

坊間喜歡用CAP1400代表壓水堆重大專項，實際上它是壓水堆重大專項示范工程的代號，其中：“C”為“中國”英文單詞的首個字母，“A”“P”分別是“先進(jìn)”和“非能動”英文單詞的首個字母，CAP1400含義為中國裝機(jī)容量為140萬千瓦等級的先進(jìn)非能動核電技術(shù)，它是我國第三代核電技術(shù)的代表。

從一開始，CAP1400的定位就是在引進(jìn)消化吸收AP1000核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)再創(chuàng)新，實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)和獨立出口權(quán)。10年間，在AP1000技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國200多家企事業(yè)單位2萬多人經(jīng)過消化、吸收、再創(chuàng)新，成功研發(fā)了功率更大、安全性更高的大型先進(jìn)非能動核電型號——CAP1400，并使之真正成為了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)和獨立出口權(quán)的三代核電技術(shù)。

鄭明光回憶說，當(dāng)年與美國簽下合同，引進(jìn)AP1000還頗具契機(jī)，要不是當(dāng)時美國核電發(fā)展遭遇資金困難，我國恐怕很難獲得這項先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)機(jī)會。

當(dāng)初心有戚戚，生怕人家不賣，現(xiàn)在鄭明光全然沒有這樣的擔(dān)心了。他介紹，CAP1400項目經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和近百項各類試驗，突破了國產(chǎn)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、型號設(shè)計、試驗驗證、核電站安全評價、主設(shè)備消化吸收、關(guān)鍵設(shè)備超大鍛件研制、安全殼制造、核島建造安裝等10項關(guān)鍵核心技術(shù)。截至2016年底，已形成知識產(chǎn)權(quán)2894項，新產(chǎn)品、新工藝、新材料、新裝置等179項。實現(xiàn)了我國三代核電技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計、設(shè)備制造、試驗驗證的自主化，并正在實現(xiàn)先進(jìn)軟件平臺和先進(jìn)核燃料的自主化。

值得一提的是，核電領(lǐng)域最受關(guān)注的安全性和經(jīng)濟(jì)性，CAP1400都做到了青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。各安全設(shè)施能力比AP1000提高了20%以上，85%以上設(shè)備實現(xiàn)國產(chǎn)化，造價已經(jīng)可以控制在每千瓦2000美元左右，這一價格讓CAP1400“走出去”的競爭力進(jìn)一步提升。

10年，高溫氣冷堆從跟蹤他國到領(lǐng)跑世界

今年年初，清華大學(xué)發(fā)布60萬千瓦高溫氣冷堆核電站技術(shù)方案。幾乎同一時間，首個高溫氣冷堆商業(yè)示范項目山東省榮成石島灣核電廠宣布將于2018年發(fā)電，這兩條消息引發(fā)外界廣泛關(guān)注。

這被外界認(rèn)為是高溫氣冷堆發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點。

長期以來，外界對高溫氣冷堆的發(fā)展有過各種質(zhì)疑——發(fā)電成本太高、不實用、前景有限等等。然而現(xiàn)在，我國自主研發(fā)的世界首座具有第四代核電技術(shù)特征的高溫氣冷堆核電站將真正建成了，不僅要發(fā)電還要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

外媒用“領(lǐng)跑”來形容中國在高溫氣冷堆領(lǐng)域取得的成績。對于張作義和他的同事們來說，內(nèi)心是自豪的，他說，我們從863時的跟蹤高技術(shù)，到現(xiàn)在走到“領(lǐng)跑”的位置，這條創(chuàng)新路上有過很多曲折。現(xiàn)在我們已經(jīng)在這一領(lǐng)域處于國際先進(jìn)行列，在示范工程上大概要領(lǐng)先其他國家5年—10年。

“專項將最優(yōu)秀的人和資源集中起來，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破，有獨特的優(yōu)勢。”張作義說，他從事核電研究多年，專項與以往做科研卻是大不相同，這其中最大的不同就是讓科學(xué)家們再也不擔(dān)心資源問題，只用埋頭苦干，向前沖，效率極高。

正因為這樣的高效率，在10年的時間里，全球首座高溫氣冷堆商業(yè)示范電站研發(fā)設(shè)計工作全部完成，大部分主設(shè)備已安裝就位，工程轉(zhuǎn)入調(diào)試階段。形成新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新裝置等近千項，知識產(chǎn)權(quán)3000余項。

張作義說，下一步他和同事們要干的事還有不少——要加速實現(xiàn)石島灣核電站并網(wǎng)發(fā)電；希望組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動我國制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展；要將現(xiàn)有高溫氣冷堆的溫度從750攝氏度提升到1000攝氏度，提高燃料使用效率；要把萬眾期待的高溫氣冷堆制氫真正實現(xiàn)。

10年，我們補(bǔ)足了核電制造裝備的短板

鄭明光說，當(dāng)初擔(dān)任壓水堆項目的總設(shè)計師壓力真不小，而最大的壓力就來自于設(shè)備制造，一個設(shè)備設(shè)計出來后卻找不到會生產(chǎn)的廠家這是他和同事們常遇到的情況。為降低設(shè)備研制風(fēng)險同時培育良性的競爭氛圍，CAP1400在研發(fā)設(shè)計的同時開展設(shè)備研制及國產(chǎn)化——對一些關(guān)鍵設(shè)備都安排兩到三家廠家進(jìn)行培育，對特別重要的設(shè)備如主泵甚至采用兩條技術(shù)路線并行的策略，借助于專項的支持，國內(nèi)各大制造企業(yè)完成了從不會到會、從二代到三代的蛻變，裝備制造能力實現(xiàn)了跨越。

由于CAP1400機(jī)組采用二回路設(shè)計，每一回路就需要承受70—75萬千瓦的功率，這對蒸汽發(fā)生器等配套的設(shè)備要求就非常之高，當(dāng)時國產(chǎn)化設(shè)備的制造能力還未達(dá)到能制造如此大功率設(shè)備的水平。而現(xiàn)在，10年的專項，10年的科研攻關(guān)成就了CAP1400 85%以上的設(shè)備國產(chǎn)化率。

根據(jù)科技部重大專項辦公室材料顯示，壓水堆項目自主研制的超大型鍛件、690合金管、壓力容器密封件、核級鋯材等40余項關(guān)鍵材料，為我國核電、軍工等行業(yè)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。目前，已具備年產(chǎn)6臺到8臺套三代核電設(shè)備供貨能力。

另一方面，高溫氣冷堆關(guān)鍵設(shè)備，如控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)、燃料裝卸料系統(tǒng)等已實現(xiàn)供貨，球形燃料元件也已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2014年9月，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆核電站示范工程燃料元件生產(chǎn)線已完成安裝，可每年提供約30萬個球形燃料元件。

這其中最典型的當(dāng)屬主氦風(fēng)機(jī)的面世。主氦風(fēng)機(jī)是高溫氣冷堆核電站的心臟裝備。2008年起就開始部署其制造技術(shù)、電磁軸承技術(shù)等攻關(guān)任務(wù)，終于在2014年，我國首臺高溫氣冷堆主氦風(fēng)機(jī)樣機(jī)研制成功。然而其他核電堆型主泵設(shè)備出現(xiàn)的問題，讓項目組決定繼續(xù)試驗主氦風(fēng)機(jī)，最終在2016年5月宣布成功。

從2008年到2016年，這臺設(shè)備走過了8年，最終獲得成功，但它不是唯一。

根據(jù)國家科技重大專項年度報告，目前我國已突破高溫氣冷堆的全部核心技術(shù)，并有多個世界首創(chuàng)，如世界最大商業(yè)化規(guī)模的陶瓷包覆顆粒球形燃料元件生產(chǎn)廠、首個電磁軸承主氦風(fēng)機(jī)等。此外，反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等主設(shè)備也已完全國產(chǎn)化。

10年，我們讓核電人才發(fā)展壯大

大家都知道，創(chuàng)新的先決條件是人才，10年核電專項建設(shè)，人才隊伍的建設(shè)一直都是重中之重。

張作義在接受科技日報采訪時說，高溫氣冷堆項目開始時他慶幸前輩們曾經(jīng)的堅持留下了一批當(dāng)時四五十歲左右的人才，而今天他看到的是各個年齡段的人才，特別是現(xiàn)在30多歲的一批年輕人在專項中成長起來了。“這批人才存在于科研、制造等各個領(lǐng)域，即便是放到全世界的舞臺上，他們也是優(yōu)秀的、頂尖的。”他說。

在壓水堆領(lǐng)域，鄭明光和他的團(tuán)隊同樣是業(yè)界的翹楚。他告訴科技日報記者，不僅有上海核工院覆蓋全核島8大領(lǐng)域31個學(xué)科101個專業(yè)的科研人員在這10年里快速成長，更有包括上海電氣、東方電氣等一批制造企業(yè)的工程師們成為各領(lǐng)域的專家。

10年專項造就了一支技術(shù)水平高、工程經(jīng)驗豐富、專業(yè)配備合理的研發(fā)人才隊伍。現(xiàn)在， CAP1400型號研發(fā)、核電安全評價、高溫氣冷堆燃料元件研發(fā)等41個創(chuàng)新團(tuán)隊在核電領(lǐng)域都是響當(dāng)當(dāng)?shù)摹Ｋ麄冎胁粌H有鄭明光、張作義等創(chuàng)新領(lǐng)軍人物。其中，還有各類科技人才、青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人800余人。

創(chuàng)新團(tuán)隊

他們研制的“密封環(huán)” 打破國外半個世紀(jì)壟斷

“密封”是核電運行和事故狀態(tài)下防止泄漏的第一關(guān)。

CAP1400核電的建設(shè)也不例外，尤其是核反應(yīng)堆壓力容器主密封（O型密封環(huán)），屬核一級設(shè)備使用，是整個核電密封系統(tǒng)中最復(fù)雜、最重要的密封。長期工作于340℃以上高溫、15MPa的高壓、高輻射的惡劣環(huán)境，且每隔12—18個月因加換燃料必須整套更換，需求量大。50年來該技術(shù)一直被美國Garlock公司獨家壟斷。不僅價格昂貴，而且購買時還需要向美國安全管理委員會備案，保證不用于軍事和出口。

因此，在CAP1400核電的建設(shè)中，密封環(huán)的國產(chǎn)化將是一個急需突破的難題。

早在2010年，為秦山核電服務(wù)的寧波天生密封件有限公司總經(jīng)理勵行根，就立志要成功研制反應(yīng)堆壓力容器O型密封環(huán)。

2014年，CAP1400核反應(yīng)堆壓力容器O型密封環(huán)的研制及其性能試驗被列為國家重大專項，國家投資1億多元建設(shè)1∶1O型密封環(huán)試驗平臺，該實驗平臺將用于驗證勵行根所帶領(lǐng)團(tuán)隊所研制的O型密封環(huán)的實際工況的應(yīng)用性能，預(yù)計2018年6月完成投用。

2014年底，勵行根團(tuán)隊所研制的O型密封環(huán)已取得階段性進(jìn)展，研制過程中，他們發(fā)明了O形環(huán)直管開孔技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了先開孔后成型的工藝，克服了國外產(chǎn)品先成型后開孔的缺點，不僅一次性解決了雜物殘留問題，達(dá)到產(chǎn)品A1級清潔度要求，也大大提高了開孔精度。同時還掌握了薄壁合金Inconel 718管材的自重熔焊技術(shù)，既提高了焊縫的平整度，又保證了焊后接頭凸起0.05毫米，解決了焊接后焊縫不得凹陷的技術(shù)難點。

他們研制的O型密封環(huán)，直徑4米以上，其公差可控制在±0.2毫米以內(nèi)，完全滿足核電反應(yīng)堆壓力容器的使用條件。同時徹底打破了美國公司對此類密封的壟斷，完全解除了美國對我國核反應(yīng)堆密封技術(shù)用于軍事和出口的遏制，為我國成為核強(qiáng)國、核電出口大國作出重要貢獻(xiàn)，對國家核發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。

典型案例

“每天都有應(yīng)對挑戰(zhàn)的激情和并肩作戰(zhàn)的歡樂”

2018年，山東石島灣——由華能集團(tuán)負(fù)責(zé)建設(shè)的全球首座球床模塊式高溫氣冷堆示范將完成并網(wǎng)發(fā)電，這將是國家科技重大專項成果取得的又一項重大標(biāo)志性成果。因為它代表了第四代核電技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域邁出的第一步。

作為工程建設(shè)的親歷者，華能核電副總經(jīng)理呂華權(quán)對石島灣項目建設(shè)過程深有感觸。他說，建設(shè)過程確實遇到許多困難，但對他和同事們來說卻是獨特的體驗——每天都有應(yīng)對挑戰(zhàn)的激情和并肩作戰(zhàn)的歡樂。

曾經(jīng)很長時間，建設(shè)石島灣的專家們的主要工作是“搬磚”和“砌墻”，但這個工作可沒有聽上去那么簡單。高溫堆的陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件由碳磚和石墨磚組成，一共分為53層。陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件的安裝過程實際上類似于蓋房子“砌磚”，但這種“砌磚”工作，既沒有水泥黏合，也沒有錨固、螺栓，更沒有焊接。每塊磚之間還有孔洞，這些孔洞拼裝后形成控制棒、吸收球和氦氣孔道。

呂華權(quán)說，為防止控制棒卡棒、吸收球卡球以及氦氣漏流，精度要求極高。上千塊磚要嚴(yán)絲合縫，磚與磚的縫隙以及每塊磚所在的相對位置，都不能有一點閃失。據(jù)說整個過程都是一步一測，來保障最后陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件安裝完成后，頂層高度誤差不超過1毫米，平面度誤差不超過0.55毫米，控制在設(shè)計要求之內(nèi)。

說起來，石島灣的專家們不僅要干“體力活”，還要干張飛穿針的技術(shù)活。在完成堆芯殼的調(diào)整之后，他們要進(jìn)行堆內(nèi)千余塊零部件的安裝。其中底部金屬堆內(nèi)構(gòu)件作為整個“積木”的底座，直徑約5米，水平度要求誤差在0.2毫米以內(nèi)，光這項工作他們就忙活了2個月。

在吊裝高溫堆的壓力容器過程中，需將容器臥式翻轉(zhuǎn)為立式，為防止翻轉(zhuǎn)過程中卸料管因承受巨大壓力造成破壞，需要運用兩臺吊車進(jìn)行雙機(jī)抬吊。并且，吊裝過程壓力容器要從0米升至高約50米再落位至0米，垂直行程約100米。更為困難的是，在落位過程中，卸料管需穿過一個樓板孔洞，管與洞內(nèi)側(cè)的距離僅為25毫米，還必須確保卸料管與孔洞不發(fā)生碰撞。

這樣的事情在高溫氣冷堆的建設(shè)過程中每天都在發(fā)生，石島灣的建設(shè)者們在干活的時候都提著一股勁，時刻準(zhǔn)備迎接新挑戰(zhàn)。

編輯：襄樺