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《科技日报》头版头条:为核电站上起“双保险”——华龙一号非能动安全系统攻关纪实

发布时间:2023-01-05 信息来源:

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  潮水有节奏地拍打着福建福清兴化湾海岸。目光所及,福清核电基地6台机组巍然矗立在岸边不远处,稳如泰山,岿然不动。在这6台机组中,“隐藏”着我国具有完全自主知识产权的三代核电——华龙一号示范工程的两台机组。

  识别华龙一号最简单的办法,是找到镶嵌在其安全壳上方外侧的一圈水泥“头箍”。这是华龙一号独有的非能动导热水箱,也是其非能动安全系统最显著的外表象征。

  安全性,是三代核电与二代核电最显著的区别之一。与二代核电主要采用能动安全系统不同,华龙一号首次自主研发应用非能动安全系统,形成了“能动+非能动”双重安全系统,其特点是能够在不依赖外部能源驱动的情况下,仅靠自然循环、重力等方式确保核电站稳定,为核电站念起安全“紧箍咒”,打造核电站安全“双保险”。

  给安全壳戴“头箍”

  时间退回到2011年3月11日,地震引发的海啸将日本福岛第一核电站供电线路全部切断,其完全依赖电力的能动安全系统彻底失效,进而引发福岛核事故。

  “当时我们就意识到,核电站要满足更高的安全要求,不能只依赖能动系统。”中核集团华龙一号副总设计师刘昌文回忆,面对福岛核事故的惨痛教训,中核集团做了一个大胆的决定:放弃刚刚完成研发,即将开工建设的二代改进型核电机组CP1000,引入非能动安全系统,研发具有自主知识产权的三代核电。

  研发非能动安全系统,要过的第一关就是方案设计关。刘昌文表示,虽然系统的基本原理大家都清楚,但落实到每一个具体细节,仍要反复推算。“就像家里搞装修,不可能只凭一个想法,而是具体到每一个门窗缝隙都要仔细考虑。”

  以华龙一号形似“头箍”的非能动导热水箱为例,其每一个设计细节都经过反复雕琢。水箱太小,换热能力不足;水箱太大,又会影响抗震等要求。

  由于缺少相关经验积累,没人能给出确切答案。研究团队只能不停计算、试验,对多个参数进行反复论证,才敲定最终设计方案。

  不光是水箱这样的庞然大物,哪怕是一根小小的排放管,研究团队也曾花费半年时间反复计算最佳尺寸。正是在一次次的不懈攻关、创新中,华龙一号非能动安全系统从想法变成了一张张设计图纸。

  大山深处的模拟试验

  闯过方案设计关,接下来要对设计进行验证。

  中国核动力九〇九基地,试验台架高60米,相当于20层楼高,相关系统试验课题负责人郗昭站在上面也免不了双腿微颤。这是华龙一号非能动二次侧余热导出系统的试验场地。

  反应堆发生事故后,回路中的水由于温度不同会产生密度差,因水位高低不同会产生重力差,该系统能够以此为驱动力,在不依靠外界动力的情况下将反应堆内的余热导出,实现核电站事故后的安全停堆。

  要对如此庞大的一套系统进行验证,不是一件容易的事。刘昌文说,此前国内外的通行做法是建设缩小比例模型,通过相似理论,将结果推导到原系统进行验证。

  但大家很快发现,这个办法失灵了。

  “对该系统来说,哪怕与真实高度只差一点,实际效果都可能相去甚远。所以,缩小模型验证的办法行不通。”刘昌文说。

  老办法不能用,研发团队决定,干脆建一个与华龙一号等高、等温、等压的试验装置,模拟真实环境下的系统运行。

  选址、建设、试验……两年间,研发团队暂别亲人和熟悉的工作环境,在距离成都200公里外的大山里驻扎下来。60米高的试验台架,郗昭一天要爬几个来回,她曾因此一周内瘦了5斤。

  “为了避免上下台架上厕所耽误时间,大家工作的时候都不敢多喝水。”中国核动力研究设计院二所所长李朋洲回忆。

  功夫不负有心人。经过反复试验,该装置取得的200余组数据成功验证了华龙一号非能动二次侧余热导出系统72小时瞬态排热能力。真实等高、等温、等压环境下的试验结果,让所有人心服口服。

  创新设备支撑创新设计

  系统验证通过,又一个新问题摆在面前:非能动安全系统所需的设备去哪里找?

  中国核电工程有限公司设计工程师赵斌向记者提到了事故工况下用来冷却安全壳的非能动换热器。

  该设备是非能动安全壳热量导出系统的关键部件,需要综合考虑设备型式、体量、布置形式、换热能力、冷凝水收集能力等多方面因素。市场上没有现成设备可供选择,只能自主研发。

  “为了研发这个设备,光图纸我们就更新了十几版。”赵斌说。在经过大量修改、优化和验证工作后,研发团队研发的非能动换热器最终实现了不同需求间平衡,可满足华龙一号的苛刻条件。

  这样的例子还有很多。

  经此一役,该团队成功填补了国内非能动安全系统设备的多项空白,趟出了一条从未有人走过的道路。

  2022年10月16日上午,参与华龙一号建设运营的各单位集中收看了党的二十大开幕盛况。当习近平总书记在报告中提到包括核电技术在内的关键核心技术取得重大成果,我国进入创新型国家行列时,作为我国核电事业建设的参与者,大家既激动又自豪。

  “华龙一号的科研让我深刻体会到,关键核心技术是买不来的。”刘昌文说,“党的二十大报告提出,积极安全有序发展核电,确保能源安全。我们将继续努力,让华龙一号在保障我国能源安全、助力双碳目标实现的道路上行稳致远!”