中國(guó)核電30年“脫胎換骨”路
在綿長(zhǎng)的祖國(guó)東海岸線上，矗立著許多特殊而神秘的人工“島”——“核島”。
它們之中最“古老”者，也不過(guò)30年歷史，但拔地而起的新核島，技術(shù)上已經(jīng)超越國(guó)際水平。
其間的代際演變，耗費(fèi)了許多核工業(yè)人的心血。
（來(lái)源：微信公眾號(hào)“中國(guó)核工業(yè)” ID：cn_industry）
中國(guó)核電起步之時(shí)，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的核電站建設(shè)已經(jīng)開(kāi)始了近30年。
1985年，中國(guó)大陸第一座自主研發(fā)的30萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組在浙江海鹽開(kāi)建。此時(shí)，全世界已有376座核電站在運(yùn)行，其中很多大功率百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組。
“秦山現(xiàn)場(chǎng)什么都沒(méi)有，應(yīng)該是在修海堤。海鹽只有一個(gè)紅綠燈?！痹鵀橹袊?guó)第一批核電站操縱員的朱曉斌回憶說(shuō)。
當(dāng)時(shí)，操縱員要去國(guó)外培訓(xùn)，費(fèi)用約與之等身的黃金價(jià)值相當(dāng)。這是其被稱為“黃金人”的由來(lái)。
1990年，中國(guó)引進(jìn)法國(guó)技術(shù)在大亞灣開(kāi)建百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站。一個(gè)面龐清秀的大學(xué)畢業(yè)生也成為那里的一名新人。
30年后，他將自己畫作中的圖景變成了實(shí)體——中國(guó)第一座具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)載體——“華龍一號(hào)”全球首堆（即福清核電5號(hào)機(jī)組）。此前，全球擁有該技術(shù)的國(guó)家只有日本、美國(guó)、法國(guó)和俄羅斯。
這個(gè)人就是“華龍一號(hào)”總設(shè)計(jì)師邢繼。
“當(dāng)時(shí)，我們穿的防護(hù)服、安全鞋，甚至我們使用的所有辦公用品全是進(jìn)口的。我們有一個(gè)非常強(qiáng)烈的感受——真正的核心技術(shù)你是買不來(lái)的?！?/p>
自從大學(xué)畢業(yè)后，邢繼幾乎參與了中國(guó)近30年間所有的核電站建設(shè)。建造一座完全由中國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造、并管理運(yùn)營(yíng)的百萬(wàn)千瓦級(jí)別的核電站，是他從業(yè)以來(lái)的夢(mèng)想。
“我們能夠把兩彈一星自己研制出來(lái)，為什么就不能研制出來(lái)自己的核電站？我們中國(guó)人也不比別人笨?！?/p>
當(dāng)邢繼被任命為“華龍一號(hào)”的總設(shè)計(jì)師之時(shí)，他的夢(mèng)想，有了實(shí)現(xiàn)的可能。
從藍(lán)圖到宏圖，核工業(yè)人開(kāi)啟了大協(xié)作“打怪”之路。
全套自主
堆芯
地點(diǎn)：四川成都 核動(dòng)力院
堆芯是核電站的心臟，是核燃料發(fā)生裂變、釋放能量的核心部件。堆芯技術(shù)如果受制于人，自主核電就無(wú)從談起。
而此前，中國(guó)已在運(yùn)行的百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，普遍使用的都是引進(jìn)自國(guó)外的157堆芯。
上世紀(jì)90年代起，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院就開(kāi)始了堆芯自主研發(fā)設(shè)計(jì)的探索。
堆芯研發(fā)涉及336個(gè)系統(tǒng)，25個(gè)學(xué)科，計(jì)算量超乎想象；最難的是要研制出多種堆芯型號(hào)進(jìn)行比較。
“我們做了157堆芯的，也做了177堆芯的、193堆芯的等等。通過(guò)多個(gè)堆芯的比較論證，確定了177堆芯。”核動(dòng)力院科技委主任吳琳說(shuō)。
與國(guó)際傳統(tǒng)的157堆芯相比，數(shù)字只相差20，但擁有177堆芯的“華龍一號(hào)”，發(fā)電功率提升5%至10%，安全性也增強(qiáng)了。
核燃料
地點(diǎn)：四川宜賓 中核建中
堆芯已定，但核燃料技術(shù)仍需實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)。
中核建中核燃料元件有限公司一間倉(cāng)庫(kù)，被稱為核電“糧倉(cāng)”，所謂的“糧食”，就是一些用來(lái)填充堆芯的長(zhǎng)方柱體——燃料元件。
核燃料被燒結(jié)成二氧化鈾芯塊，它們被疊裝在若干細(xì)長(zhǎng)的金屬管內(nèi)，做成燃料棒。按照一定規(guī)則排放的燃料棒可組成核電站的燃料元件。而包裹這些燃料的金屬材料，被稱為鋯合金，對(duì)核裂變反應(yīng)起著極為重要的作用。它構(gòu)成了燃料組件的“骨骼”和“皮膚”。
“這個(gè)包殼非常關(guān)鍵，它要包容裂變產(chǎn)物，又要把熱能傳導(dǎo)出來(lái)，還要有耐長(zhǎng)期輻照的性能?！?中核建中總工程師彭海青說(shuō)。
鋯合金
地點(diǎn)：四川成都 核動(dòng)力院
鋯合金的性能關(guān)乎核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性，它的研制是燃料技術(shù)中最難的環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)只能引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，照?qǐng)D加工。
2010年，核動(dòng)力院的研究人員開(kāi)始了自主鋯合金的應(yīng)用研發(fā)。
“國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)都沒(méi)有一條完整的用于鋯合金生產(chǎn)和研發(fā)的研制線。我們就是在實(shí)驗(yàn)室條件下、小作坊式的研發(fā)?！敝泻思瘓F(tuán)CF燃料總設(shè)計(jì)師焦擁軍說(shuō)。
十幾年、上千次的試驗(yàn)，研發(fā)人員才成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的N36鋯合金。
蒸汽發(fā)生器
地點(diǎn)：河北秦皇島 設(shè)備制造廠
核電技術(shù)是把堆芯內(nèi)燃料核裂變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽，輸送給發(fā)電機(jī)用于發(fā)電，這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要蒸汽發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
“華龍一號(hào)”首堆的蒸汽發(fā)生器是一個(gè)長(zhǎng)21米、重365噸的龐然大物。
穿管，是其裝配過(guò)程中較難的環(huán)節(jié)。5835根管，幾乎沒(méi)有一根完全相同，無(wú)法使用機(jī)器穿，需要幾個(gè)工人協(xié)同精準(zhǔn)操作，確保管子順利穿過(guò)九層支撐板，一旦卡住，很可能會(huì)造成整個(gè)蒸汽發(fā)生器報(bào)廢。
自主創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，大到尺寸，小到核心部件，甚至是每一條焊縫，都跟之前制造廠生產(chǎn)過(guò)的不同。
為了解決設(shè)計(jì)給制造帶來(lái)的困難，“華龍一號(hào)”蒸汽發(fā)生器總設(shè)計(jì)師張富源經(jīng)常要往返于成都與秦皇島的制造廠之間。
頻繁而高效的溝通，是造就前所未有之華龍速度的重要原因之一。在美法等核電強(qiáng)國(guó)，三代核電技術(shù)首臺(tái)蒸汽發(fā)生器的制造一般需要38個(gè)月左右，而“華龍一號(hào)”蒸汽發(fā)生器的制造僅僅用了27個(gè)月。
土建
地點(diǎn)：福建福清 核電基地
2015年5月，“華龍一號(hào)”全球首堆在福清正式開(kāi)工建設(shè)。土建工程，同樣是需要攻克的難題之一。沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，沒(méi)有相同的堆型可以參照，一切都要在摸索中前行。
“華龍首堆有三新：新設(shè)計(jì)、新設(shè)備、新廠家，項(xiàng)目控制有一系列全新的要素，需要我們通過(guò)高效的管理來(lái)推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)。”福清核電有限公司總經(jīng)理趙皓說(shuō)。
2017年5月，工程進(jìn)入土建階段最關(guān)鍵環(huán)節(jié)——穹頂?shù)跹b。為了這一刻，建造穹頂?shù)纳锨と艘呀?jīng)準(zhǔn)備了兩年。
“華龍一號(hào)”的穹頂直徑46.8米，厚度僅為6毫米。風(fēng)速風(fēng)向的變化，很容易導(dǎo)致吊裝鋼絲繩受力不均，造成穹頂變形，無(wú)法精準(zhǔn)落入核島頂部最窄處，只有10毫米寬的導(dǎo)向槽。
這次吊裝被施工團(tuán)隊(duì)稱為“刀鋒對(duì)接”。
平時(shí)讓人們心曠神怡的海風(fēng)，在核電站建設(shè)時(shí)卻成為最讓人頭疼的因素，給穹頂?shù)跹b帶來(lái)了難以想象的困難。
“穹頂?shù)跹b的過(guò)程，對(duì)風(fēng)速要求非常高，五級(jí)風(fēng)以下才能進(jìn)行吊裝。福清現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，每年360多天，六級(jí)風(fēng)以上的就占了200多天。我提前一個(gè)月就要測(cè)風(fēng)速。把每天24小時(shí)的風(fēng)速測(cè)定下來(lái)進(jìn)行對(duì)比。”中核二四公司福清核電項(xiàng)目部副總經(jīng)理王順澤說(shuō)。
最終，“華龍一號(hào)”全球首堆成功“加冕”。
多重防御
應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組
廠外斷電后的“速效救心丸”
“華龍一號(hào)”是在一路總結(jié)全球已發(fā)生或可能發(fā)生的、不限于核電站的各類重大事故風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程中誕生的。
在其實(shí)際運(yùn)行前，有一個(gè)重要的測(cè)試——廠外斷電。
在浩大的核電站內(nèi)，將有上百個(gè)系統(tǒng)的廠外電源同時(shí)會(huì)被人為切斷，以此測(cè)試核電站在失去全部廠外電源的情況下，是否還能夠保證運(yùn)行的安全。這是“華龍一號(hào)”調(diào)試階段參與人數(shù)最多、風(fēng)險(xiǎn)最高的試驗(yàn)之一。
日本福島核事故暴露了一個(gè)嚴(yán)重缺陷——單一的電源供水系統(tǒng)，一旦斷電將會(huì)引發(fā)災(zāi)難性后果。
為了避免悲劇重演，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先為“華龍一號(hào)”配置了“速效救心丸”——應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。在核電機(jī)組自發(fā)供電和外部電網(wǎng)供電全部失去后，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組要能夠及時(shí)啟動(dòng)，來(lái)保證電站的安全。
廠外斷電試驗(yàn)，就是為了驗(yàn)證其是否有效、可靠。
中核工程福清項(xiàng)目部調(diào)試部技術(shù)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)劉光偉是失去全部廠外電源試驗(yàn)的統(tǒng)領(lǐng)者，他們?yōu)檫@項(xiàng)試驗(yàn)準(zhǔn)備了1年多的時(shí)間。
“前期的工作沒(méi)有瑕疵地完成后，我們才能做這個(gè)試驗(yàn)?！?/p>
福清核電調(diào)試工程師宋雨蒙在試驗(yàn)中主要負(fù)責(zé)風(fēng)險(xiǎn)管控，在他看來(lái)試驗(yàn)的目的并不是為了追求一次性成功，而是后果可控的失敗。
“我們的主要目的是發(fā)現(xiàn)機(jī)組的隱藏缺陷，并解決問(wèn)題。”
雖然準(zhǔn)備長(zhǎng)達(dá)一年，但試驗(yàn)過(guò)程只有不到一分鐘。試驗(yàn)的執(zhí)行過(guò)程，動(dòng)作幾乎涉及全廠設(shè)備，任何一個(gè)設(shè)備未按照預(yù)期動(dòng)作，就有可能造成極其嚴(yán)重的后果。
最終，廠外斷電試驗(yàn)順利完成。
非能動(dòng)安全系統(tǒng)
極端災(zāi)害下的自我防御模式
假設(shè)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)也發(fā)生故障不能發(fā)電了，這種極小概率事件的發(fā)生，必須在總設(shè)計(jì)師邢繼的考量之中。
“‘華龍一號(hào)’安全設(shè)計(jì)上有五道防御體系。前面的防御體系失守，還可以退防第二道甚至第三道。為了應(yīng)對(duì)類似福島這樣的核事故，我們就采用了一種叫做非能動(dòng)的安全系統(tǒng)?！?/p>
非能動(dòng)安全系統(tǒng)，是指在外部電源和動(dòng)力完全喪失后，僅依靠重力、溫差等提供動(dòng)力，讓冷卻作用的水循環(huán)排出反應(yīng)堆事故后產(chǎn)生的余熱來(lái)保證安全。
即便有一天“華龍一號(hào)”受到“排山倒?！笔降臎_擊，也能啟動(dòng)“自我防護(hù)模式”，防止福島核事故的重演。
防人因
知識(shí)、技能、心理全覆蓋
設(shè)備安全了，但再認(rèn)真的人也有可能出現(xiàn)失誤。疲勞、情緒變化、時(shí)間壓力，每個(gè)因素都可能帶來(lái)誤操作。
每天早晨，是“華龍一號(hào)”主控室里最繁忙的時(shí)候，這里相當(dāng)于核電站的大腦。所有電站運(yùn)行的操作指令，都由操縱員從這里發(fā)出，他們被稱為核電站的安全衛(wèi)士。
福清核電運(yùn)行值李棟作為這一班的值長(zhǎng)，需要對(duì)核電站的每一個(gè)系統(tǒng)甚至零部件都了然于胸。要達(dá)到如此驚人的技藝，必須經(jīng)歷極其嚴(yán)苛的培訓(xùn)與考核。
“兩年多的時(shí)間，要經(jīng)歷上百場(chǎng)考試。培訓(xùn)成績(jī)合格，才能去參加操作員考試，考試還分為現(xiàn)場(chǎng)考試、筆試、口試，到最后還有心理測(cè)評(píng)?！?/p>
沉著、冷靜是多數(shù)人對(duì)操縱員的第一印象，而操縱員更愿意用“保守”來(lái)定義自己的工作狀態(tài)。
壓力容器
把事故產(chǎn)生的放射物包起來(lái)
假設(shè)人為因素導(dǎo)致核事故已經(jīng)發(fā)生，而這時(shí)所有供電系統(tǒng)都已損壞，非能動(dòng)系統(tǒng)也失去了作用?！叭A龍一號(hào)”要如何確保事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)不會(huì)泄露到外部？
邢繼說(shuō)：“必須有能力把它包容起來(lái)。”
反應(yīng)堆壓力容器是核電站重要的實(shí)體安全屏障之一，一旦堆芯損壞，它必須要把放射性物質(zhì)包容在其中不能外溢 。
“華龍一號(hào)”壓力容器高約11米，凈重316噸，它的加工精度執(zhí)行的是全球核電裝備的最高標(biāo)準(zhǔn)，需要機(jī)床一刀一刀地連續(xù)切削72個(gè)小時(shí)，才能保證密封面的整體平整度，誤差不超過(guò)0.05毫米。
壓力容器被水平吊運(yùn)進(jìn)核島后，還將迎來(lái)一個(gè)極具挑戰(zhàn)的過(guò)程——安裝。
反應(yīng)堆壓力容器是整座核電廠里目前唯一無(wú)法更換的關(guān)鍵主設(shè)備。這就要求在安裝過(guò)程中，必須保證所有接口精準(zhǔn)對(duì)位。稍有差池，造價(jià)幾億元的設(shè)備就會(huì)報(bào)廢。
“壓力容器在運(yùn)輸過(guò)程當(dāng)中是水平狀態(tài)的，到核島里以后，要把它豎立起來(lái)放到堆芯里面去。這個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程是現(xiàn)場(chǎng)施工難點(diǎn)?！敝泻硕靖Ｇ屙?xiàng)目部主設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行總指揮李金洲說(shuō)。
在起重專家、監(jiān)控人員和各相關(guān)單位的密切配合下，壓力容器完美地完成了安裝任務(wù)。
“華龍一號(hào)”的壓力容器作為重要的安全屏障，發(fā)生核裂變反應(yīng)的堆芯被嚴(yán)密地包裹在其中，即便發(fā)生核事故，放射性物質(zhì)也會(huì)被牢牢地禁錮在壓力容器之中。
其設(shè)計(jì)使用年限也從之前的40年延長(zhǎng)至60年。
雙層安全殼
防止有害氣體擴(kuò)散、抵御極端災(zāi)害
還有什么因素會(huì)威脅到核電站的安全？這是“華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)師時(shí)常思考的問(wèn)題。
核電站中那個(gè)標(biāo)志性的圓柱體建筑叫做安全殼。是整座反應(yīng)堆與外界隔離的一道極為重要的安全屏障。
美國(guó)“911”事件的發(fā)生，使防止大型飛機(jī)撞擊也成了“華龍一號(hào)”安全殼設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮的風(fēng)險(xiǎn)。
“我們?cè)O(shè)置了一個(gè)雙層的安全殼，內(nèi)殼主要用來(lái)應(yīng)對(duì)反應(yīng)堆發(fā)生事故以后，放射性氣體不會(huì)在事故后擴(kuò)散到環(huán)境當(dāng)中。而外殼，我們重點(diǎn)用來(lái)抵御外部的各種極端的自然災(zāi)害，包括龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、飛射物，甚至包括大飛機(jī)的撞擊?！毙侠^說(shuō)。
“華龍一號(hào)”內(nèi)外安全殼厚度，分別達(dá)到了1.3米和1.8米。為了可以抵御大型飛機(jī)撞擊，安全殼采用了直徑40毫米、目前世界上最高級(jí)別的鋼筋，僅外安全殼就有4層這樣的鋼筋。鋼筋的用量，比以往核電站增加了兩倍。
“華龍一號(hào)”很大一部分建設(shè)成本都是為了追求極致的安全而設(shè)置，其安全性甚至超過(guò)了全球最高標(biāo)準(zhǔn)。
2020年11月27日，“ 華龍一號(hào)”全球首堆成功向電網(wǎng)輸送出了第一度電。
“華龍一號(hào)”核電技術(shù)目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)展開(kāi)批量化生產(chǎn)。同時(shí)也成為代表國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的“國(guó)之重器”走向世界。
“華龍一號(hào)”海外首堆——巴基斯坦卡拉奇K2/K3兩個(gè)機(jī)組全部建成后，每年發(fā)電量將超過(guò)180億千瓦時(shí)，可以支撐起巴基斯坦近三分之一的電力缺口。
除了巴基斯坦，中核集團(tuán)正在與阿根廷、保加利亞、沙特、巴西、阿聯(lián)酋、加納等近60個(gè)國(guó)家商談核電及核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈合作。
“核能的發(fā)展不僅是要解決我們的能源問(wèn)題。我們核技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，也會(huì)為我們的醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、其它制造業(yè)帶來(lái)一些技術(shù)性革命性的變化。我們和中國(guó)核工業(yè)始終是對(duì)外、對(duì)世界開(kāi)放的?！敝泻思瘓F(tuán)董事長(zhǎng)余劍鋒說(shuō)。
隨著人類文明的發(fā)展，作為文明推動(dòng)力的能源需求將呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。核能作為未來(lái)極具潛力的能源，被寄予厚望。
中國(guó)作為世界核電領(lǐng)域的倡導(dǎo)者，在為人類尋求終極能源的路上不會(huì)缺席。
（本文根據(jù)CCTV播映的《華龍一號(hào)》紀(jì)錄片腳本整理而成）