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華龍一號(hào)非能動(dòng)安全系統(tǒng)攻關(guān)紀(jì)實(shí)

科技日?qǐng)?bào)發(fā)布時(shí)間:2023-01-06 11:26:45

  潮水有節(jié)奏地拍打著福建福清興化灣海岸。目光所及,福清核電基地6臺(tái)機(jī)組巍然矗立在岸邊不遠(yuǎn)處,穩(wěn)如泰山,巋然不動(dòng)。在這6臺(tái)機(jī)組中,“隱藏”著我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電——華龍一號(hào)示范工程的兩臺(tái)機(jī)組。

  識(shí)別華龍一號(hào)最簡(jiǎn)單的辦法,是找到鑲嵌在其安全殼上方外側(cè)的一圈水泥“頭箍”。這是華龍一號(hào)獨(dú)有的非能動(dòng)導(dǎo)熱水箱,也是其非能動(dòng)安全系統(tǒng)最顯著的外表象征。

  安全性,是三代核電與二代核電最顯著的區(qū)別之一。與二代核電主要采用能動(dòng)安全系統(tǒng)不同,華龍一號(hào)首次自主研發(fā)應(yīng)用非能動(dòng)安全系統(tǒng),形成了“能動(dòng)+非能動(dòng)”雙重安全系統(tǒng),其特點(diǎn)是能夠在不依賴外部能源驅(qū)動(dòng)的情況下,僅靠自然循環(huán)、重力等方式確保核電站穩(wěn)定,為核電站念起安全“緊箍咒”,打造核電站安全“雙保險(xiǎn)”。

  給安全殼戴“頭箍”

  時(shí)間退回到2011年3月11日,地震引發(fā)的海嘯將日本福島第一核電站供電線路全部切斷,其完全依賴電力的能動(dòng)安全系統(tǒng)徹底失效,進(jìn)而引發(fā)福島核事故。

  “當(dāng)時(shí)我們就意識(shí)到,核電站要滿足更高的安全要求,不能只依賴能動(dòng)系統(tǒng)。”中核集團(tuán)華龍一號(hào)副總設(shè)計(jì)師劉昌文回憶,面對(duì)福島核事故的慘痛教訓(xùn),中核集團(tuán)做了一個(gè)大膽的決定:放棄剛剛完成研發(fā),即將開(kāi)工建設(shè)的二代改進(jìn)型核電機(jī)組CP1000,引入非能動(dòng)安全系統(tǒng),研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電。

  研發(fā)非能動(dòng)安全系統(tǒng),要過(guò)的第一關(guān)就是方案設(shè)計(jì)關(guān)。劉昌文表示,雖然系統(tǒng)的基本原理大家都清楚,但落實(shí)到每一個(gè)具體細(xì)節(jié),仍要反復(fù)推算。“就像家里搞裝修,不可能只憑一個(gè)想法,而是具體到每一個(gè)門窗縫隙都要仔細(xì)考慮。”

  以華龍一號(hào)形似“頭箍”的非能動(dòng)導(dǎo)熱水箱為例,其每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都經(jīng)過(guò)反復(fù)雕琢。水箱太小,換熱能力不足;水箱太大,又會(huì)影響抗震等要求。

  由于缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累,沒(méi)人能給出確切答案。研究團(tuán)隊(duì)只能不停計(jì)算、試驗(yàn),對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)論證,才敲定最終設(shè)計(jì)方案。

  不光是水箱這樣的龐然大物,哪怕是一根小小的排放管,研究團(tuán)隊(duì)也曾花費(fèi)半年時(shí)間反復(fù)計(jì)算最佳尺寸。正是在一次次的不懈攻關(guān)、創(chuàng)新中,華龍一號(hào)非能動(dòng)安全系統(tǒng)從想法變成了一張張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙。

  大山深處的模擬試驗(yàn)

  闖過(guò)方案設(shè)計(jì)關(guān),接下來(lái)要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

  中國(guó)核動(dòng)力九〇九基地,試驗(yàn)臺(tái)架高60米,相當(dāng)于20層樓高,相關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)課題負(fù)責(zé)人郗昭站在上面也免不了雙腿微顫。這是華龍一號(hào)非能動(dòng)二次側(cè)余熱導(dǎo)出系統(tǒng)的試驗(yàn)場(chǎng)地。

  反應(yīng)堆發(fā)生事故后,回路中的水由于溫度不同會(huì)產(chǎn)生密度差,因水位高低不同會(huì)產(chǎn)生重力差,該系統(tǒng)能夠以此為驅(qū)動(dòng)力,在不依靠外界動(dòng)力的情況下將反應(yīng)堆內(nèi)的余熱導(dǎo)出,實(shí)現(xiàn)核電站事故后的安全停堆。

  要對(duì)如此龐大的一套系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,不是一件容易的事。劉昌文說(shuō),此前國(guó)內(nèi)外的通行做法是建設(shè)縮小比例模型,通過(guò)相似理論,將結(jié)果推導(dǎo)到原系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

  但大家很快發(fā)現(xiàn),這個(gè)辦法失靈了。

  “對(duì)該系統(tǒng)來(lái)說(shuō),哪怕與真實(shí)高度只差一點(diǎn),實(shí)際效果都可能相去甚遠(yuǎn)。所以,縮小模型驗(yàn)證的辦法行不通。”劉昌文說(shuō)。

  老辦法不能用,研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定,干脆建一個(gè)與華龍一號(hào)等高、等溫、等壓的試驗(yàn)裝置,模擬真實(shí)環(huán)境下的系統(tǒng)運(yùn)行。

  選址、建設(shè)、試驗(yàn)……兩年間,研發(fā)團(tuán)隊(duì)暫別親人和熟悉的工作環(huán)境,在距離成都200公里外的大山里駐扎下來(lái)。60米高的試驗(yàn)臺(tái)架,郗昭一天要爬幾個(gè)來(lái)回,她曾因此一周內(nèi)瘦了5斤。

  “為了避免上下臺(tái)架上廁所耽誤時(shí)間,大家工作的時(shí)候都不敢多喝水。”中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院二所所長(zhǎng)李朋洲回憶。

  功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),該裝置取得的200余組數(shù)據(jù)成功驗(yàn)證了華龍一號(hào)非能動(dòng)二次側(cè)余熱導(dǎo)出系統(tǒng)72小時(shí)瞬態(tài)排熱能力。真實(shí)等高、等溫、等壓環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果,讓所有人心服口服。

  創(chuàng)新設(shè)備支撐創(chuàng)新設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)驗(yàn)證通過(guò),又一個(gè)新問(wèn)題擺在面前:非能動(dòng)安全系統(tǒng)所需的設(shè)備去哪里找?

  中國(guó)核電工程有限公司設(shè)計(jì)工程師趙斌向記者提到了事故工況下用來(lái)冷卻安全殼的非能動(dòng)換熱器。

  該設(shè)備是非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,需要綜合考慮設(shè)備型式、體量、布置形式、換熱能力、冷凝水收集能力等多方面因素。市場(chǎng)上沒(méi)有現(xiàn)成設(shè)備可供選擇,只能自主研發(fā)。

  “為了研發(fā)這個(gè)設(shè)備,光圖紙我們就更新了十幾版。”趙斌說(shuō)。在經(jīng)過(guò)大量修改、優(yōu)化和驗(yàn)證工作后,研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的非能動(dòng)換熱器最終實(shí)現(xiàn)了不同需求間平衡,可滿足華龍一號(hào)的苛刻條件。

  這樣的例子還有很多。

  經(jīng)此一役,該團(tuán)隊(duì)成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)備的多項(xiàng)空白,趟出了一條從未有人走過(guò)的道路。

  2022年10月16日上午,參與華龍一號(hào)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的各單位集中收看了黨的二十大開(kāi)幕盛況。當(dāng)習(xí)近平總書記在報(bào)告中提到包括核電技術(shù)在內(nèi)的關(guān)鍵核心技術(shù)取得重大成果,我國(guó)進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家行列時(shí),作為我國(guó)核電事業(yè)建設(shè)的參與者,大家既激動(dòng)又自豪。

  “華龍一號(hào)的科研讓我深刻體會(huì)到,關(guān)鍵核心技術(shù)是買不來(lái)的。”劉昌文說(shuō),“黨的二十大報(bào)告提出,積極安全有序發(fā)展核電,確保能源安全。我們將繼續(xù)努力,讓華龍一號(hào)在保障我國(guó)能源安全、助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的道路上行穩(wěn)致遠(yuǎn)!”

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