專訪核電專項(xiàng)技術(shù)總師鄭明光、張作義：從“求分享”到“走出去”

2018-01-18 15:05:45 中國(guó)科技網(wǎng) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電國(guó)家科技重大專項(xiàng)是《國(guó)家中長(zhǎng)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(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)之

“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電”國(guó)家科技重大專項(xiàng)是《國(guó)家中長(zhǎng)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(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)之一。

借助于該專項(xiàng)的支持，壓水堆重大專項(xiàng)示范工程CAP1400實(shí)現(xiàn)了自主化和國(guó)產(chǎn)化，使我國(guó)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(guó)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(shí)現(xiàn)了跨越；一大批頂尖核電人才逐漸成長(zhǎng)起來(lái)。

5月14日至15日，在北京主辦“一帶一路”國(guó)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(jiàn)到國(guó)家科技重大專項(xiàng)高溫氣冷堆核電站示范工程總設(shè)計(jì)師、清華大學(xué)核研院院長(zhǎng)張作義時(shí)，他剛從“一帶一路”活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)趕回來(lái)，因?yàn)樯程氐哪茉床控?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(guó)簽署《沙特高溫氣冷堆項(xiàng)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(kāi)了“走出去”的步伐。沙特、印尼等國(guó)家都對(duì)高溫氣冷堆表現(xiàn)出濃厚興趣，與我國(guó)達(dá)成了多項(xiàng)合作協(xié)議。這些成績(jī)讓張作義“很開(kāi)心”。

同樣“開(kāi)心”的還有國(guó)家科技重大專項(xiàng)大型先進(jìn)壓水堆核電站總設(shè)計(jì)師、上海核工程研究設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)鄭明光。CAP1400已經(jīng)成為我國(guó)核電“走出去”的名片，土耳其、南非等已經(jīng)與我國(guó)就CAP1400技術(shù)合作開(kāi)展了深度交流，簽訂了相關(guān)合作協(xié)議。

“今日的成績(jī)，是數(shù)十年的技術(shù)積累和對(duì)國(guó)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(guó)家科技重大專項(xiàng)（簡(jiǎn)稱專項(xiàng)）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(lái)之不易。”張作義說(shuō)。

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(xiàng)，實(shí)際上它是壓水堆重大專項(xiàng)示范工程的代號(hào)，其中：“C”為“中國(guó)”英文單詞的首個(gè)字母，“A”“P”分別是“先進(jìn)”和“非能動(dòng)”英文單詞的首個(gè)字母，CAP1400含義為中國(guó)裝機(jī)容量為140萬(wàn)千瓦等級(jí)的先進(jìn)非能動(dòng)核電技術(shù)，它是我國(guó)第三代核電技術(shù)的代表。

從一開(kāi)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(shí)現(xiàn)再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和獨(dú)立出口權(quán)。10年間，在AP1000技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)200多家企事業(yè)單位2萬(wàn)多人經(jīng)過(guò)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(dòng)核電型號(hào)——CAP1400，并使之真正成為了我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和獨(dú)立出口權(quán)的三代核電技術(shù)。

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

當(dāng)初心有戚戚，生怕人家不賣，現(xiàn)在鄭明光全然沒(méi)有這樣的擔(dān)心了。他介紹，CAP1400項(xiàng)目經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)和近百項(xiàng)各類試驗(yàn)，突破了國(guó)產(chǎn)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、型號(hào)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、核電站安全評(píng)價(jià)、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(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。截至2016年底，已形成知識(shí)產(chǎn)權(quán)2894項(xiàng)，新產(chǎn)品、新工藝、新材料、新裝置等179項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)三代核電技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、試驗(yàn)驗(yàn)證的自主化，并正在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)軟件平臺(tái)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(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，造價(jià)已經(jīng)可以控制在每千瓦2000美元左右，這一價(jià)格讓CAP1400“走出去”的競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步提升。

10年，高溫氣冷堆從跟蹤他國(guó)到領(lǐng)跑世界

今年年初，清華大學(xué)發(fā)布60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核電站技術(shù)方案。幾乎同一時(shí)間，首個(gè)高溫氣冷堆商業(yè)示范項(xiàng)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(diǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，外界對(duì)高溫氣冷堆的發(fā)展有過(guò)各種質(zhì)疑——發(fā)電成本太高、不實(shí)用、前景有限等等。然而現(xiàn)在，我國(guó)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

外媒用“領(lǐng)跑”來(lái)形容中國(guó)在高溫氣冷堆領(lǐng)域取得的成績(jī)。對(duì)于張作義和他的同事們來(lái)說(shuō)，內(nèi)心是自豪的，他說(shuō)，我們從863時(shí)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(guò)很多曲折。現(xiàn)在我們已經(jīng)在這一領(lǐng)域處于國(guó)際先進(jìn)行列，在示范工程上大概要領(lǐng)先其他國(guó)家5年—10年。

“專項(xiàng)將最優(yōu)秀的人和資源集中起來(lái)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破，有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。”張作義說(shuō)，他從事核電研究多年，專項(xiàng)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?cè)僖膊粨?dān)心資源問(wèn)題，只用埋頭苦干，向前沖，效率極高。

正因?yàn)檫@樣的高效率，在10年的時(shí)間里，全球首座高溫氣冷堆商業(yè)示范電站研發(fā)設(shè)計(jì)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(xiàng)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)3000余項(xiàng)。

張作義說(shuō)，下一步他和同事們要干的事還有不少——要加速實(shí)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(dòng)我國(guó)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(wàn)眾期待的高溫氣冷堆制氫真正實(shí)現(xiàn)。

10年，我們補(bǔ)足了核電制造裝備的短板

鄭明光說(shuō)，當(dāng)初擔(dān)任壓水堆項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)師壓力真不小，而最大的壓力就來(lái)自于設(shè)備制造，一個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)出來(lái)后卻找不到會(huì)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(xiǎn)同時(shí)培育良性的競(jìng)爭(zhēng)氛圍，CAP1400在研發(fā)設(shè)計(jì)的同時(shí)開(kāi)展設(shè)備研制及國(guó)產(chǎn)化——對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)備都安排兩到三家廠家進(jìn)行培育，對(duì)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(xiàng)的支持，國(guó)內(nèi)各大制造企業(yè)完成了從不會(huì)到會(huì)、從二代到三代的蛻變，裝備制造能力實(shí)現(xiàn)了跨越。

由于CAP1400機(jī)組采用二回路設(shè)計(jì)，每一回路就需要承受70—75萬(wàn)千瓦的功率，這對(duì)蒸汽發(fā)生器等配套的設(shè)備要求就非常之高，當(dāng)時(shí)國(guó)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(xiàng)，10年的科研攻關(guān)成就了CAP140085%以上的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率。

根據(jù)科技部重大專項(xiàng)辦公室材料顯示，壓水堆項(xiàng)目自主研制的超大型鍛件、690合金管、壓力容器密封件、核級(jí)鋯材等40余項(xiàng)關(guān)鍵材料，為我國(guó)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(tái)到8臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)、燃料裝卸料系統(tǒng)等已實(shí)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(shí)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(wàn)個(gè)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(kāi)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(guó)首臺(tái)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(wèn)題，讓項(xiàng)目組決定繼續(xù)試驗(yàn)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(tái)設(shè)備走過(guò)了8年，最終獲得成功，但它不是唯一。

根據(jù)國(guó)家科技重大專項(xiàng)年度報(bào)告，目前我國(guó)已突破高溫氣冷堆的全部核心技術(shù)，并有多個(gè)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(gè)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(guó)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(xiàng)建設(shè)，人才隊(duì)伍的建設(shè)一直都是重中之重。

張作義在接受科技日?qǐng)?bào)采訪時(shí)說(shuō)，高溫氣冷堆項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)他慶幸前輩們?cè)?jīng)的堅(jiān)持留下了一批當(dāng)時(shí)四五十歲左右的人才，而今天他看到的是各個(gè)年齡段的人才，特別是現(xiàn)在30多歲的一批年輕人在專項(xiàng)中成長(zhǎng)起來(lái)了。“這批人才存在于科研、制造等各個(gè)領(lǐng)域，即便是放到全世界的舞臺(tái)上，他們也是優(yōu)秀的、頂尖的。”他說(shuō)。

在壓水堆領(lǐng)域，鄭明光和他的團(tuán)隊(duì)同樣是業(yè)界的翹楚。他告訴科技日?qǐng)?bào)記者，不僅有上海核工院覆蓋全核島8大領(lǐng)域31個(gè)學(xué)科101個(gè)專業(yè)的科研人員在這10年里快速成長(zhǎng)，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(xiàng)造就了一支技術(shù)水平高、工程經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)配備合理的研發(fā)人才隊(duì)伍。現(xiàn)在，CAP1400型號(hào)研發(fā)、核電安全評(píng)價(jià)、高溫氣冷堆燃料元件研發(fā)等41個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)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9人入選“千人計(jì)劃”，以及各類科技人才、青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人800余人。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

他們研制的“密封環(huán)”打破國(guó)外半個(gè)世紀(jì)壟斷

“密封”是核電運(yùn)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(jí)設(shè)備使用，是整個(gè)核電密封系統(tǒng)中最復(fù)雜、最重要的密封。長(zhǎng)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(gè)月因加換燃料必須整套更換，需求量大。50年來(lái)該技術(shù)一直被美國(guó)Garlock公司獨(dú)家壟斷。不僅價(jià)格昂貴，而且購(gòu)買時(shí)還需要向美國(guó)安全管理委員會(huì)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(guó)產(chǎn)化將是一個(gè)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(lì)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(yàn)被列為國(guó)家重大專項(xiàng)，國(guó)家投資1億多元建設(shè)1∶1O型密封環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將用于驗(yàn)證勵(lì)行根所帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)所研制的O型密封環(huán)的實(shí)際工況的應(yīng)用性能，預(yù)計(jì)2018年6月完成投用。

2014年底，勵(lì)行根團(tuán)隊(duì)所研制的O型密封環(huán)已取得階段性進(jìn)展，研制過(guò)程中，他們發(fā)明了O形環(huán)直管開(kāi)孔技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了先開(kāi)孔后成型的工藝，克服了國(guó)外產(chǎn)品先成型后開(kāi)孔的缺點(diǎn)，不僅一次性解決了雜物殘留問(wèn)題，達(dá)到產(chǎn)品A1級(jí)清潔度要求，也大大提高了開(kāi)孔精度。同時(shí)還掌握了薄壁合金Inconel718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(diǎn)。

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(shí)徹底打破了美國(guó)公司對(duì)此類密封的壟斷，完全解除了美國(guó)對(duì)我國(guó)核反應(yīng)堆密封技術(shù)用于軍事和出口的遏制，為我國(guó)成為核強(qiáng)國(guó)、核電出口大國(guó)作出重要貢獻(xiàn)，對(duì)國(guó)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(duì)挑戰(zhàn)的激情和并肩作戰(zhàn)的歡樂(lè)”

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(guó)家科技重大專項(xiàng)成果取得的又一項(xiàng)重大標(biāo)志性成果。因?yàn)樗砹说谒拇穗娂夹g(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(duì)石島灣項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程深有感觸。他說(shuō)，建設(shè)過(guò)程確實(shí)遇到許多困難，但對(duì)他和同事們來(lái)說(shuō)卻是獨(dú)特的體驗(yàn)——每天都有應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的激情和并肩作戰(zhàn)的歡樂(lè)。

曾經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)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(gè)工作可沒(méi)有聽(tīng)上去那么簡(jiǎn)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(guò)程實(shí)際上類似于蓋房子“砌磚”，但這種“砌磚”工作，既沒(méi)有水泥黏合，也沒(méi)有錨固、螺栓，更沒(méi)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(shuō)，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(duì)位置，都不能有一點(diǎn)閃失。據(jù)說(shuō)整個(gè)過(guò)程都是一步一測(cè)，來(lái)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(guò)1毫米，平面度誤差不超過(guò)0.55毫米，控制在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。

說(shuō)起來(lái)，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(gè)“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(xiàng)工作他們就忙活了2個(gè)月。

在吊裝高溫堆的壓力容器過(guò)程中，需將容器臥式翻轉(zhuǎn)為立式，為防止翻轉(zhuǎn)過(guò)程中卸料管因承受巨大壓力造成破壞，需要運(yùn)用兩臺(tái)吊車進(jìn)行雙機(jī)抬吊。并且，吊裝過(guò)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(guò)程中，卸料管需穿過(guò)一個(gè)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(guò)程中每天都在發(fā)生，石島灣的建設(shè)者們?cè)诟苫畹臅r(shí)候都提著一股勁，時(shí)刻準(zhǔn)備迎接新挑戰(zhàn)。

責(zé)任編輯：lixin

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