石島灣高溫氣冷堆示范工程外景。中核能源科技有限公司供圖

高溫氣冷堆團隊部分成員在石島灣高溫氣冷堆示范工程主控室合影。 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院供圖

中核能源科技有限公司主設(shè)備中心技術(shù)人員在檢查設(shè)備。中核能源科技有限公司供圖

2023年12月6日，位于山東省威海市榮成石島灣的高溫氣冷堆核電站示范工程投入商業(yè)運行。

這是全球首座投入商業(yè)運行的第四代核電站，也是國家科技重大專項標志性成果。從2012年12月開工建設(shè)，到2023年12月商運投產(chǎn)，高溫氣冷堆用11年的時間從藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實。如果把時間的尺度再拉長，我國從上世紀80年代就開展了以固有安全為主要特征的先進核能技術(shù)研發(fā)。在無樣板可依、無經(jīng)驗可循的情況下，幾代科研工作者接續(xù)攻關(guān)，推動我國在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先水平。

建成10兆瓦球床模塊式高溫氣冷實驗堆，正式開啟科技成果轉(zhuǎn)化之路

2003年1月29日，我國自主研發(fā)建造的10兆瓦球床模塊式高溫氣冷實驗堆成功實現(xiàn)72小時連續(xù)滿功率運行。

這是一項令人振奮的重大科技成果。上世紀80年代起，在中國科學(xué)院院士王大中帶領(lǐng)下，清華大學(xué)開始先進核能技術(shù)研發(fā)。在國家“863計劃”支持下，團隊突破了球形燃料元件、球床流動特性等多項關(guān)鍵技術(shù)，于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實驗堆。

高溫氣冷實驗堆是“863計劃”中投入較大的實驗工程項目，也是完成最好的項目之一�！耙皇且�選準方向、鍥而不舍，‘十年磨一劍’；二是要解放思想、實事求是，集中力量攻克關(guān)鍵技術(shù)；三是要集體攻關(guān)、大力協(xié)同，發(fā)揚團隊精神�！蓖醮笾性诳偨Y(jié)項目經(jīng)驗時說，“我們下一步的任務(wù)是逐步實現(xiàn)這個成果的產(chǎn)業(yè)化，爭取建造‘示范堆’，為我國能源發(fā)展作出貢獻�！�

高溫氣冷堆安全可靠性高、廢物產(chǎn)生量小，具備經(jīng)濟性和多用途功能，因此也被視為極具潛力的新一代核電技術(shù)。本世紀初，一些國家在該領(lǐng)域積極布局并取得進展。

“當(dāng)時，各國專家從100多種反應(yīng)堆概念中，篩選出6種最具前景的第四代核電技術(shù)，高溫氣冷堆就是其中之一�！鼻迦A大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（以下簡稱清華核研院）副院長董玉杰介紹，“當(dāng)時按模塊式概念建造的實驗堆，中國有一座，日本也有一座，還有多個國家計劃建設(shè)示范堆，大家都想在這一領(lǐng)域占得先機�！�

在10兆瓦高溫氣冷實驗堆滿功率運行的同一年，中國核工業(yè)集團有限公司與清華大學(xué)共同組建了中核能源科技有限公司（以下簡稱中核能源），高溫氣冷堆團隊也正式開啟了科技成果轉(zhuǎn)化之路。

清華核研院副總工程師、1998年就參加了10兆瓦高溫氣冷實驗堆建設(shè)工作的李富說：“實驗堆建成后，我們的工作重心馬上轉(zhuǎn)向商業(yè)示范堆設(shè)計，并很快拿出了基本設(shè)計方案�！�

2006年，高溫氣冷堆被列入國家科技重大專項。2008年，高溫氣冷堆總體實施方案獲國務(wù)院批準。董玉杰回憶：“重大專項定下了非常明確的目標，就是要以實驗堆為基礎(chǔ)，攻克工業(yè)放大和工程實驗驗證技術(shù)，最終建成商業(yè)規(guī)模的高溫氣冷堆示范電站。”

對于實驗堆來說，能夠短期運行并驗證技術(shù)可行性即可，但是商業(yè)規(guī)模的高溫氣冷堆示范電站必須實現(xiàn)長期穩(wěn)定可靠運行，同時要考慮維護檢修、在役檢查、經(jīng)濟性等因素。重大專項設(shè)置了89個科研課題。在清華核研院院長、高溫氣冷堆重大專項總設(shè)計師張作義帶領(lǐng)下，一場漫長的技術(shù)攻堅戰(zhàn)就此展開。

高溫氣冷堆核島1.5萬多臺套設(shè)備中有2200臺套為首臺套，世界首創(chuàng)型設(shè)備超過660臺，設(shè)備國產(chǎn)化率達到93.4%

項目開展之初，擺在團隊面前的首先是技術(shù)路線問題。高溫氣冷堆團隊謹慎地在創(chuàng)新與技術(shù)可行性之間作出平衡�！氨热纾瑸槭裁床恢苯佑煤�氣來更高效地推動汽輪發(fā)電機發(fā)電？從熱力學(xué)循環(huán)上來說是理想的，但我們覺得一定要考慮工業(yè)上的可行性�！崩罡徽f。

董玉杰回憶：“通過反復(fù)比較取舍，我們最終采取了單區(qū)圓柱狀堆芯的兩模塊方案，原來的方案雖可實現(xiàn)更大的單堆功率，但研發(fā)周期長、不確定性高。現(xiàn)在回過頭來看，該技術(shù)方案的選擇非常關(guān)鍵，它可以通過標準化模塊來建設(shè)更大的商業(yè)電站�！�

“核能系統(tǒng)研發(fā)很復(fù)雜，需要有系統(tǒng)工程的思維�！倍�玉杰舉例，比如，在提出初步總體方案后，還要分成各個分系統(tǒng)，逐步落實每個系統(tǒng)和設(shè)備的工程可實施性。遇到大的矛盾，還要回過頭來重新迭代循環(huán)。直到各個分系統(tǒng)的方案、設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)都得到落實，才能最終確定總體方案。

李富介紹：“雖然我們有實驗堆作基礎(chǔ)，但是設(shè)備一放大，所有的設(shè)計、驗證和運行特性研究，基本上要重新來過�！�

繪制各個系統(tǒng)、設(shè)備的圖紙，按照設(shè)備圖紙生產(chǎn)樣機；逐項技術(shù)驗證，“背對背”計算分析；“一比一”工程實驗，模擬反應(yīng)堆實際運行的環(huán)境……“如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備上的任何缺陷和不足，我們就要進行修改、完善設(shè)計，直到滿足要求�！倍�玉杰說。

“高溫氣冷堆從技術(shù)、產(chǎn)品、設(shè)備制造、材料上都是創(chuàng)新的，我們的研發(fā)與生產(chǎn)基本上同步開展。”中核能源副總經(jīng)理、總工程師石琦舉例，蒸汽發(fā)生器被稱為“核電之肺”，是高溫氣冷堆最關(guān)鍵的設(shè)備之一。蒸汽發(fā)生器換熱單元采用五層螺旋盤管，每根管子展開長度是60米，整個螺旋盤管高10米。這樣復(fù)雜的換熱單元，1臺蒸汽發(fā)生器里就有19個。

為此，清華核研院、中核能源等10多家單位參與，經(jīng)過兩年多攻關(guān)，最終建成了國際首個核級螺旋盤管和換熱單元生產(chǎn)線。

“作為全球首創(chuàng)的設(shè)計，我們沒有可參考的制造和裝配工藝�！笔�琦說，在高溫氣冷堆攻關(guān)過程中，國內(nèi)多家高校院所、國有企業(yè)、民營企業(yè)共同參與，研發(fā)、生產(chǎn)、參數(shù)調(diào)優(yōu)、工藝迭代幾乎同步進行。

項目團隊還完成了模塊式高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器、控制棒和吸收球系統(tǒng)、燃料裝卸系統(tǒng)等多個首臺套設(shè)備研制。高溫氣冷堆核島1.5萬多臺套設(shè)備中有2200臺套為首臺套，世界首創(chuàng)型設(shè)備超過660臺，設(shè)備國產(chǎn)化率達到93.4%。

著力構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研深度融合的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)生態(tài)體系，形成攻關(guān)合力

解決高溫氣冷堆技術(shù)難題，需要各行業(yè)、全產(chǎn)業(yè)鏈共同參與，著力構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研深度融合的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)生態(tài)體系，形成攻關(guān)合力�！霸谶@個組織體系里，大家不是簡單的‘合同—制造’關(guān)系，而是組成一個個創(chuàng)新聯(lián)合體，緊密耦合、協(xié)同攻關(guān)�！笔�琦說。

高溫氣冷堆攻關(guān)過程中，中核集團和清華大學(xué)是最早開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作的兩家單位，中核能源就是在這樣的背景下成立的。

攻關(guān)過程中，清華核研院聚焦原始創(chuàng)新、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計，中核能源負責(zé)工程設(shè)計、工程總包。雙方共同成立了聯(lián)合設(shè)計機構(gòu)，還針對多個關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備成立了設(shè)計采購一體化攻關(guān)組。

“我們這支大團隊里，既有科研人員，也有工程技術(shù)人員，科研思維與工程思維經(jīng)�！�碰撞’。過去我們也嘗試過‘各自為戰(zhàn)’，在單位層面開展合作，但是發(fā)現(xiàn)根本無法把‘界面’劃分清楚，索性成立聯(lián)合研發(fā)機構(gòu)，一體化決策、一體化管理。出現(xiàn)‘碰撞’時，理論、工程各自向前‘走’一步，將這些‘碰撞’消化在團隊內(nèi)部�！笔�琦說。

雙方還聯(lián)合舉辦核工程碩士班，將工程技術(shù)人員所承擔(dān)的工程任務(wù)轉(zhuǎn)化為核工程碩士班的畢業(yè)設(shè)計課題，將理論知識與工程實踐密切結(jié)合起來。工程做下來，學(xué)業(yè)也完成了。這個碩士班培養(yǎng)了上百名工程技術(shù)人員，很多人已成長為高溫氣冷堆領(lǐng)域的中堅力量。

產(chǎn)學(xué)研融合體現(xiàn)在高溫氣冷堆攻關(guān)全過程、各方面，小到一張圖紙、一個軸承，大到完整系統(tǒng)設(shè)計、關(guān)鍵主設(shè)備制造……協(xié)同攻關(guān)成功推動一批關(guān)鍵設(shè)備出校園、下產(chǎn)線、進市場，從圖紙、樣品變成了產(chǎn)品。

“高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化需要攻關(guān)很多設(shè)備，很多情況和以前不一樣，我們必須敢于創(chuàng)新，用新材料、新設(shè)備、新工藝來解決問題。”李富說，“這支大團隊的一個特點就是較真。誰技術(shù)上說得對，我們就聽誰的�！�

這支團隊中，很多人把大部分職業(yè)生涯獻給了高溫氣冷堆事業(yè)。“項目做了20年，我們始終滿懷信心。一輩子做成一件事，我們感到很幸福�！崩罡徽f。

《 人民日報 》（ 2024年11月04日 19 版）

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