坚持自主创新 勇攀科技高峰——华能高温气冷堆核电站示范工程设计研发纪实

2022-02-10 16:03    高温气冷堆  华能集团  石岛湾核电站

2021年12月20日,国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆完成发电机初始负荷运行试验评价,首次并网成功,发出第一度电。这是全球首个并网发电的具有四代特征的高温气冷堆核电示范项目,标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一,意味着在该领域我国成为世界核电技术的领跑者。


编者按
国家科技重大专项高温气冷堆核电站示范工程(以下简称“高温堆示范工程”)经过9年施工建设,于12月20日首次并网发电。这是我国先进核电技术自主创新取得新胜利的一步,也是我国核能领域坚持科技自立自强、推动落实“碳达峰、碳中和”目标实现和中国核工业高质量发展的重要成果。
 
高温堆示范工程从科研设计、施工建设,到球形核燃料元件和重要装备研制,最终成功并网发电。各相关领域有两三代核能人为此奉献了青春和智慧。《中国核能》自2021年第四期起隆重推出“见证——高温堆进行时”专题系列报道,讲述高温堆示范工程建设者们书写青春、挥洒汗水,全力以赴铸就国之重器的奋斗故事。让我们启航去见证这些非凡的成就!
 
2021年12月20日,国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆完成发电机初始负荷运行试验评价,首次并网成功,发出第一度电。这是全球首个并网发电的具有四代特征的高温气冷堆核电示范项目,标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一,意味着在该领域我国成为世界核电技术的领跑者。
 
这一刻,凝聚着以清华大学为代表的高温气冷堆设计团队几代人筚路蓝缕、艰苦奋斗的汗水和心血,也凝聚着中国华能作为高温堆示范工程业主,发挥企业创新主体作用、推进产学研用协同创新的艰苦努力。
 
从无到有,勇闯四代核电“无人区”
 
在国家“863”高技术研究发展计划的支持下,上世纪80年代,以王大中院士为代表的清华大学科研团队率先开展了10MW高温气冷实验堆的研究与开发工作。研究团队充分发挥自力更生、艰苦创业的工作作风,先后攻克高温气冷堆工业放大与工程实践验证技术、高性能燃料元件批量制备技术、氦气透平直接循环发电等技术难题。2000年12月,实验堆首次临界,2003年1月实现了满功率发电运行。至此,高温气冷堆技术转化成商业堆应用、实现技术产业化的条件基本成熟。
 
2003年,200MW高温气冷堆核电站示范工程被列为《国家中长期科学和技术发展规划(2006-2020)》中的十六个科技重大专项之一。2004年,中国华能集团、中国核工业建设集团股份有限公司、清华大学签署了合作建设高温气冷堆核电站示范工程的框架协议,正式拉开了建设具有自主知识产权的电功率200MW的世界首座高温气冷堆核电站示范工程的帷幕,对促进我国核能利用技术进步、占领世界未来核电技术的制高点具有重要战略意义。
 
2012年12月31日,高温气冷堆示范工程正式开工建设。在长达9年的攻坚过程中,华能集团通过紧抓设计龙头、高效配置资源、多元主体联动等各项措施和手段,有力保证了一大批原创性、创新性技术得以实现工程转化和验证,带动全产业链转型升级,实现多个中国首创、世界首创,为抢占核电产业制高点、落实“双碳”目标提供了强有力的技术保障。
 
 
安全高效,彰显技术可靠先进
 
200MW高温气冷堆核电站示范工程采用球床型模块式高温气冷堆“两堆带一机”技术方案,总热功率为500MW,电功率为211MW,热效率达到40%以上,具有固有安全性、系统简单、发电效率高、不停堆换料、模块化建造、用途广泛等特点,是国际核能领域公认的第四代核能系统候选堆型之一。其主要技术特点如下:
 
1.燃料元件固有安全
 
高温气冷堆示范工程采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件,具有优异的高温阻留放射性裂变产物释放的能力;堆芯功率密度低,在任何事故工况下都能够依靠自然机制保证燃料的最高温度不超过限值温度,因此具有固有安全特性,不会发生堆芯熔化、放射性物质大量外泄的事故。
 
2.堆芯冷却剂性能优异
 
高温气冷堆示范工程使用氦气作为一回路冷却剂。氦气具有良好的核物理性能:它的宏观中子吸收截面可以忽略,无相变,传热和载热性能好;同时,氦气是单原子气体,化学性质极为稳定,不会发生辐照分解且容易净化;另外,氦气中有微量的同位素He-3,He-3 的中子俘获反应为热中子反应,反应截面很大。
 
3.堆芯设计可靠
 
高温气冷堆示范工程堆芯分为陶瓷堆内构件和金属堆内构件,反应堆堆芯周围全部为石墨和含硼碳砖组成的陶瓷堆内构件。利用其吸收中子能力和绝热性能来降低反应堆压力容器和金属堆内构件底部的热中子辐照和工作温度,石墨、碳砖自身可以承受极高的温度,热容量大。
 
4.余热排出简单高效
 
高温气冷堆根据“非能动安全性”原则进行热工设计,使得在事故停堆后,堆芯的冷却不需要专设能动的余热排出系统,燃料元件的剩余发热可依靠热传导、热辐射等非能动的自然传热机制将热量散到周围环境中去。这种非能动的余热排出系统排除了高温气冷堆堆芯熔化事故的可能性。
 
5.反应性控制双管齐下
 
高温气冷堆示范工程设置两套依据不同工作原理、相互独立的反应性控制和停堆系统,即控制棒系统( 第一停堆系统,热停堆 )和吸收球停堆系统( 第二停堆系统,冷停堆 ),位于石墨侧反射层的孔道中,紧急情况下依靠自身重力下落,实现反应堆安全停闭。
 
6.燃料循环连续装卸
 
高温气冷堆示范工程燃料装卸系统利用重力落球和气力提升两种方式可实现球形燃料元件在不停堆情况下连续装卸和多次循环,保证反应堆连续运行,提高了燃料管理的灵活性,减少了反应堆的大修时间。
 
聚力攻坚,突破核心设计难题
 
高温气冷堆示范工程作为具有第四代核电技术特征的世界首座商用电站,技术上以自主研发为主,具有“产、学、研、用为一体”的特点。建设初期由于工程技术不成熟,无参考电站可学习,只能按照边设计、边研发、边施工的模式逐步推进,工程举步维艰,项目费用不断增加。面对挡在面前的一座座大山,华能核电人充分发扬逢山开路、遇水搭桥的开拓精神,团结带领各方团队充分发挥我国完整核工业产业链的优势,抓住关键环节,运用新原理、新技术、新方法、新工艺、新材料,攻坚克难、集智攻关,成功解决反应性控制、燃料装卸、主氦风机等“卡脖子”的关键核心技术难题,取得了高温气冷堆示范工程技术的重大突破。
 
1.反应性控制方案调整,竭尽全力保安全、保进度
 
如果把核电厂比作一辆汽车,那么反应性控制方案就是汽车的油门和刹车,直接决定了汽车能不能开得动、停得下。在设计之初,反应性控制方案为单堆8套控制棒与11套吸收球共同控制启停堆、功率调节,控制操作复杂,且吸收球达不到功率调节要求。设计团队经过充分论证,反复试验,将反应性控制方案调整为24套控制棒进行启停堆、功率调节,6套吸收球仅辅助实现检修停堆。同时对吸收球停堆系统落球方案进行调整,修改部分机械部件,将驱动器及机柜安全等级由常规级修改为安全级,提高了吸收球停堆系统的动作可靠性。
 
反应性控制方案变更是涉及到核安全的重大变更,需上报国家核安全局批复同意后才能开展。为保障安全质量和审评进度,石岛湾公司派员专项负责,深入参与验证试验,及时完成审评答复。此外,反应性控制方案变更对反应堆压力容器、金属堆内构件、控制棒、吸收球、电气贯穿件、仪控系统等设备产生影响,部分设备已下料生产,变更后需报废、重新制作,费用增加近五千万,压力容器交货延迟6.5个月,金属堆内构件交货延迟5个月。面对设备制造质量、到货进度、费用增加等重重压力,石岛湾核电人没有被吓倒,而是迎难而上,组织总包方、设备厂家梳理受影响设备范围,编制进度计划,分析优化制造逻辑,充分调动各方资源保证设备尽快到货。最终,各项设备如期到货、安装、调试、试运行,所有设备经受住了工程考验,运转良好。这应该就是背后默默付出的设计人最希望得到的答案!
 
2.主氦风机结构优化,精英汇聚齐攻坚、共克难
 
主氦风机作为高温气冷堆冷却剂系统的主要动力源,其作用相当于压水堆系统的主泵,在反应堆启动、功率运行和停堆等工况时,提供足够流量的氦气通过一回路系统,将反应堆堆芯产生的热量带走。整台主氦风机全部置于蒸汽发生器内,为氦气全浸入式设计。作为全世界首台大功率、高温热态、采用电磁轴承结构支撑的立式风机,该设备填补了国内大功率高转速电机技术、电磁轴承技术应用的空白,突破了大型立式机组的转速范围和结构形式。
 
新技术的应用总归不是一帆风顺的。2017年10月,首台主氦风机在出厂试验升温过程中,出现了辅助轴承间隙异常情况。2018年5月,主氦风机变频器在试验过程中发生了循环冷却液电导率超标问题。2018年10月,第二台主氦风机在电磁轴承调试过程中,出现振动异常无法升速的情况……每次问题的发生,各方团队都精诚合作、日夜排查。他们各司其职、各尽其能、紧密协作,如期攻克了主氦风机结构设计验证、电机电磁设计验证试验、转子120%超速验证试验、电磁轴承跌落试验验证、风机挡板最大传递扭矩试验验证、传热验证、200次启停试验验证、主叶轮焊接、转子动力学试验验证等众多关键核心技术难题。主氦风机设备的成功研发和制造,为高温气冷堆核电站的早日投产发电奠定了坚实的基础。
 
3.燃料装卸系统整改,千方百计固方案、促完善
 
燃料装卸系统利用重力落球和气动提升两种方式可实现HTR-PM不停堆情况下的燃料装卸与循环,是保证反应堆连续运行的关键系统之一。该系统大部分设备为首次研发的非标设备,没有同类型成熟电站和相关配套标准可供借鉴,且涉及接口众多,系统设计非常复杂。
 
燃料装卸系统在预功能试验过程中,2号堆燃耗测量定位分配器、桥联器、碎球分离装置、阻流器等设备发生过多次卡球故障,整改工作存在极大挑战。2018年11月8日,初版方案提交后,审查发现该变更方案未考虑对堆芯物理、核燃料衡算、交保方案及后续维修等方面的影响,存在严重考虑不周的问题。而整改时间紧、任务重,如未能及时完成方案固化,将对后续工作产生重大影响。业主与设计方精诚合作,与国家核安全局、国防科工局等监管机构密切沟通,从可实施性、经济性、设备可靠性、可维修性、辐射防护最优化等方面提出大量建设性意见。历经十余次审查和修订,最终完成了燃料装卸系统第一、第二阶段整改方案固化。
 
燃料装卸系统整改工作具有“边设计、边改造、边验证”的特点。如何实现设计思想,使设备整改达到预期功能目标,是整个整改工作的重点,也是难点,仅碎球分离装置改造就超计划开展了长达2个多月的试验和优化。但在整个过程中全体工作人员均保持凝心聚力攻坚克难、不达目的誓不罢休的斗争精神,全力以赴保证安全、质量和进度目标的实现,最终完胜燃料装卸系统整改攻坚战!

 
 
砥砺扬帆,开创产业应用新前景
 
高温气冷堆具备固有安全性、环境友好性、模块化设计、高参数等优势,在优化高温气冷堆技术、确保安全性和提高经济性的基础上,具有广阔的商业化推广应用前景。华能核电人在享受示范工程并网发电成功喜悦的同时并没有停下脚步,他们已经将目光放在了高温气冷堆技术的推广应用上,以华能核能研究院为核心的研发团队已着手开展高温气冷堆替代煤电、内陆推广、高温工艺热利用、核能制氢、海水淡化等项目研发工作,将对我国能源结构调整、减少碳排放、实现能源高效清洁利用和双碳目标做出更大的贡献。
 
习近平总书记强调:“实施创新驱动发展战略是一个系统工程。科技成果只有同国家需要、人民要求、市场需求相结合,完成从科学研究、实验开发、推广应用的三级跳,才能真正实现创新价值、实现创新驱动发展。”华能核电人必将牢记习近平总书记和党中央的嘱托,携手清华大学等攻坚团队,进一步总结经验、优化提高,高标准、高质量实现示范工程安全稳定运行,牵住自主创新这个“牛鼻子”,发挥我国社会主义制度优势、新型举国体制优势、超大规模市场优势,扎实推进高温气冷堆设计优化和技术推广工作,不断提升高温气冷堆技术核心竞争力,为推动我国能源结构调整、保障国家能源安全作出新的更大贡献。
 
(作者系华能山东石岛湾核电有限公司 侯雪梅 赵亮)


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