12月6日，山東榮成石島灣，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全球首座第四代核電站——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程在穩(wěn)定電功率水平上正式投產(chǎn)，轉(zhuǎn)入商業(yè)運行，標(biāo)志著我國在高溫氣冷堆核電技術(shù)領(lǐng)域已處于全球領(lǐng)先地位。
2003年開始，圍繞高溫氣冷堆示范工程，中國華能集團有限公司（以下簡稱“中國華能”）、清華大學(xué)、中國核工業(yè)集團有限公司（以下簡稱“中核集團”）等攜手合作、自主創(chuàng)新，打造出一批我國自主研發(fā)設(shè)計、自主生產(chǎn)制造的先進(jìn)核電技術(shù)裝備。
從實驗室走向生產(chǎn)線
高溫氣冷堆的多個關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備誕生于清華大學(xué)實驗室，在從實驗室走向生產(chǎn)線的過程中，中核集團與清華大學(xué)瞄準(zhǔn)生產(chǎn)線操作重復(fù)性、智能化、自動化等特點，開展了大量適應(yīng)性創(chuàng)新。
“球形燃料元件是石島灣高溫氣冷堆的重要創(chuàng)新。在球形燃料元件純化設(shè)備中，原來在學(xué)校中的燃料元件空間布局是由人工進(jìn)行排列，到了工廠后則采用機器人定點操作布局，大大提高了速度和精度，減少了人為影響。”清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（以下簡稱“核研院”）黨委書記唐亞平說。
主氦風(fēng)機是高溫氣冷堆的關(guān)鍵設(shè)備，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)壓水堆機組主泵，是高溫氣冷堆的“心臟”?！罢麄€主氦風(fēng)機中最關(guān)鍵也最棘手的難題，就是將電磁軸承技術(shù)用于主氦風(fēng)機?！焙搜性褐骱わL(fēng)機項目負(fù)責(zé)人王宏介紹，電磁軸承優(yōu)勢多，但將其應(yīng)用于一回路的主氦風(fēng)機，在世界上沒有先例，應(yīng)用風(fēng)險高，研發(fā)難度大。
清華大學(xué)在電磁軸承設(shè)計、控制及傳感器研制等方面具有領(lǐng)先技術(shù)水平?！斑@也是主氦風(fēng)機采用電磁軸承技術(shù)路線的底氣?！钡鹾晖瑫r表示，技術(shù)先進(jìn)并不代表能直接落地應(yīng)用，在主氦風(fēng)機工程樣機研制初期，國產(chǎn)電磁軸承的產(chǎn)品成熟度及制造工藝等方面都較為欠缺，“比如電磁軸承定、轉(zhuǎn)子各部件的間隙控制，就涉及多個墊片的現(xiàn)場試裝與墊片厚度配磨?！?/p>
為了不影響整體工程進(jìn)度，開發(fā)團隊采用“國內(nèi)技術(shù)—國外產(chǎn)品互相迭代”的研發(fā)思路，首先以自主研發(fā)的國產(chǎn)電磁軸承為基礎(chǔ)，研制主氦風(fēng)機工程樣機，驗證其設(shè)計可靠性；隨后，利用國外成熟電磁軸承產(chǎn)品，生產(chǎn)用于示范工程的主氦風(fēng)機產(chǎn)品。與此同時，國產(chǎn)電磁軸承也借助技術(shù)反饋，不斷提升產(chǎn)品成熟度，達(dá)到后續(xù)工程技術(shù)要求，成功從實驗室走向應(yīng)用一線，最終實現(xiàn)整個主氦風(fēng)機關(guān)鍵部件國產(chǎn)化。
練就裝配“繡花”功夫
作為自主創(chuàng)新的世界首座示范工程，石島灣高溫氣冷堆多臺設(shè)備同樣為世界首創(chuàng)，設(shè)計新穎、精度要求高，對設(shè)備裝配提出極高要求，裝配團隊為此練就出一身“繡花”功夫。
石島灣高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器是世界首臺直流逆流螺旋盤管式蒸汽發(fā)生器，也是目前世界上換熱功率最大、蒸汽出口溫度最高的蒸汽發(fā)生器，諸多設(shè)計為世界首創(chuàng)，給裝配帶來挑戰(zhàn)。
“以出口連接管設(shè)計為例，每臺蒸發(fā)器有上千支形狀各異的連接管，直徑小、長度大，每支管平均要拐七八個彎?！敝泻四茉纯萍加邢薰荆ㄒ韵潞喎Q“中核能源”）主設(shè)備研究中心主任汪垠告訴科技日報記者，每支連接管的彎如何拐、裝配順序如何排、上千支連接管如何在狹小空間內(nèi)緊密排列并滿足各項設(shè)計要求，這些問題牽一發(fā)而動全身，都需要全局考慮，且沒有任何經(jīng)驗可供參考。
為了攻克裝配難題，中核能源充分發(fā)揮紐帶作用，推動技術(shù)研發(fā)單位清華大學(xué)與生產(chǎn)廠家哈爾濱電氣集團有限公司開展聯(lián)合攻關(guān)，先后設(shè)計出3種布管方案，并制作出3套實體模型，順利完成管路走向設(shè)計，并確定上千支連接管的裝配工藝順序，推動設(shè)備成功應(yīng)用。
嚴(yán)苛調(diào)試為機組“排雷”
由于核技術(shù)的特殊性，核電站的調(diào)試工作有著近乎苛刻的要求，設(shè)備從制造下線到最終調(diào)試完成、投入運行，中間埋藏著許多預(yù)想不到的“雷點”，業(yè)內(nèi)也將調(diào)試工作形象地稱作為機組安全“排雷”。
隔膜壓縮機是示范工程氦氣循環(huán)系統(tǒng)中的核心設(shè)備，調(diào)試難度大。為了確保設(shè)備在各種工況下都能可靠運行，試驗負(fù)責(zé)人、華能石島灣調(diào)試管理辦公室員工楊文明想了多種辦法惡化運行工況，用最嚴(yán)苛的條件頂格驗證設(shè)備性能。他排列組合出所有可能工況進(jìn)行分類驗證，用一份詳盡的驗證數(shù)據(jù)，為設(shè)備性能優(yōu)化提供了有力支撐，為后續(xù)系統(tǒng)試驗和反應(yīng)堆冷態(tài)試驗順利推進(jìn)打下基礎(chǔ)。
華能石島灣核電公司總經(jīng)理張延旭介紹，在示范工程調(diào)試運行過程中，中國華能和清華大學(xué)共同研發(fā)并掌握了高溫氣冷堆特有的調(diào)試運行六大關(guān)鍵核心技術(shù)，為機組后續(xù)穩(wěn)定運行和研發(fā)工作奠定了堅實基礎(chǔ)。
多方共同成立“主設(shè)備支持中心”、關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備“聯(lián)合總體室”，聯(lián)合舉辦核工程碩士班，建立“師徒制”……得益于一系列校企合作創(chuàng)新機制，石島灣高溫氣冷堆突破一大批“從0到1”的關(guān)鍵核心技術(shù)，解決多項“卡脖子”難題，一批關(guān)鍵設(shè)備出校園、下產(chǎn)線、進(jìn)市場，從圖紙“樣品”變成了現(xiàn)實“產(chǎn)品”。
目前，石島灣高溫氣冷堆核電站首臺（套）設(shè)備達(dá)2200多臺（套），創(chuàng)新型設(shè)備有600余臺（套），設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到93.4%，推動我國在先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)和核心裝備制造領(lǐng)域自主創(chuàng)新實力不斷增強。
（記者 都 芃）