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，在中國科學院院士王大中帶領(lǐng)下，清華大學開始先進核能技術(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。“一是要選準方向、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。”王大中在總結(jié)項目經(jīng)驗時說，“我們下一步的任務是逐步實現(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。
“當時，各國專家從100多種反應堆概念中，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。”清華大學核能與新能源技術(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。“比如，為什么不直接用氦氣來更高效地推動汽輪發(fā)電機發(fā)電？從熱力學循環(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。”李富說。
董玉杰回憶：“通過反復比較取舍，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)很復雜，需要有系統(tǒng)工程的思維。”董玉杰舉例，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。”董玉杰說。
“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。”石琦說，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。“在這個組織體系里，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)。”石琦說。
高溫氣冷堆攻關(guān)過程中，中核集團和清華大學是最早開展產(chǎn)學研協(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)常‘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。”石琦說。
雙方還聯(lián)合舉辦核工程碩士班，將工程技術(shù)人員所承擔的工程任務轉(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。”李富說。（記者 谷業(yè)凱）
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