攻克高溫氣冷堆,我國第四代核電技術世界領先

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運行。

這是全球首座投入商業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，到2023年12月商運投產，高溫氣冷堆用11年的時間從藍圖變為現實。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研發。在無樣板可依、無經驗可循的情況下，幾代科研工作者接續攻關，推動我國在第四代核電技術研發和應用領域達到國際領先水平。

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化之路

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

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下，清華大學開始先進核能技術研發。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鍵技術，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x準方向、鍥而不舍，‘十年磨一劍’；二是要解放思想、實事求是，集中力量攻克關鍵技術；三是要集體攻關、大力協同，發揚團隊精神?！蓖醮笾性诳偨Y項目經驗時說，“我們下一步的任務是逐步實現這個成果的產業化，爭取建造‘示范堆’，為我國能源發展作出貢獻。”

高溫氣冷堆安全可靠性高、廢物產生量小，具備經濟性和多用途功能，因此也被視為極具潛力的新一代核電技術。本世紀初，一些國家在該領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，高溫氣冷堆就是其中之一?！鼻迦A大學核能與新能源技術研究院（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示范堆，大家都想在這一領域占得先機?！?/p>

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工作的李富說：“實驗堆建成后，我們的工作重心馬上轉向商業示范堆設計，并很快拿出了基本設計方案。”

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，攻克工業放大和工程實驗驗證技術，最終建成商業規模的高溫氣冷堆示范電站?！?/p>

對于實驗堆來說，能夠短期運行并驗證技術可行性即可，但是商業規模的高溫氣冷堆示范電站必須實現長期穩定可靠運行，同時要考慮維護檢修、在役檢查、經濟性等因素。重大專項設置了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計師張作義帶領下，一場漫長的技術攻堅戰就此展開。

高溫氣冷堆核島1.5萬多臺套設備中有2200臺套為首臺套，世界首創型設備超過660臺，設備國產化率達到93.4%

項目開展之初，擺在團隊面前的首先是技術路線問題。高溫氣冷堆團隊謹慎地在創新與技術可行性之間作出平衡?！氨热纾瑸槭裁床恢苯佑煤鈦砀咝У赝苿悠啺l電機發電？從熱力學循環上來說是理想的，但我們覺得一定要考慮工業上的可行性?！崩罡徽f。

董玉杰回憶：“通過反復比較取舍，我們最終采取了單區圓柱狀堆芯的兩模塊方案，原來的方案雖可實現更大的單堆功率，但研發周期長、不確定性高?，F在回過頭來看，該技術方案的選擇非常關鍵，它可以通過標準化模塊來建設更大的商業電站?！?/p>

“核能系統研發很復雜，需要有系統工程的思維。”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，逐步落實每個系統和設備的工程可實施性。遇到大的矛盾，還要回過頭來重新迭代循環。直到各個分系統的方案、設備、關鍵技術都得到落實，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，但是設備一放大，所有的設計、驗證和運行特性研究，基本上要重新來過?！?/p>

繪制各個系統、設備的圖紙，按照設備圖紙生產樣機；逐項技術驗證，“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境……“如果發現設備上的任何缺陷和不足，我們就要進行修改、完善設計，直到滿足要求?！倍窠苷f。

“高溫氣冷堆從技術、產品、設備制造、材料上都是創新的，我們的研發與生產基本上同步開展?！敝泻四茉锤笨偨浝?、總工程師石琦舉例，蒸汽發生器被稱為“核電之肺”，是高溫氣冷堆最關鍵的設備之一。蒸汽發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，經過兩年多攻關，最終建成了國際首個核級螺旋盤管和換熱單元生產線。

“作為全球首創的設計，我們沒有可參考的制造和裝配工藝?！笔f，在高溫氣冷堆攻關過程中，國內多家高校院所、國有企業、民營企業共同參與，研發、生產、參數調優、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、燃料裝卸系統等多個首臺套設備研制。高溫氣冷堆核島1.5萬多臺套設備中有2200臺套為首臺套，世界首創型設備超過660臺，設備國產化率達到93.4%。

著力構建產學研深度融合的創新網絡生態體系，形成攻關合力

解決高溫氣冷堆技術難題，需要各行業、全產業鏈共同參與，著力構建產學研深度融合的創新網絡生態體系，形成攻關合力?！霸谶@個組織體系里，大家不是簡單的‘合同—制造’關系，而是組成一個個創新聯合體，緊密耦合、協同攻關?！笔f。

高溫氣冷堆攻關過程中，中核集團和清華大學是最早開展產學研協作的兩家單位，中核能源就是在這樣的背景下成立的。

攻關過程中，清華核研院聚焦原始創新、關鍵設備設計，中核能源負責工程設計、工程總包。雙方共同成立了聯合設計機構，還針對多個關鍵技術及設備成立了設計采購一體化攻關組。

“我們這支大團隊里，既有科研人員，也有工程技術人員，科研思維與工程思維經常‘碰撞’。過去我們也嘗試過‘各自為戰’，在單位層面開展合作，但是發現根本無法把‘界面’劃分清楚，索性成立聯合研發機構，一體化決策、一體化管理。出現‘碰撞’時，理論、工程各自向前‘走’一步，將這些‘碰撞’消化在團隊內部。”石琦說。

雙方還聯合舉辦核工程碩士班，將工程技術人員所承擔的工程任務轉化為核工程碩士班的畢業設計課題，將理論知識與工程實踐密切結合起來。工程做下來，學業也完成了。這個碩士班培養了上百名工程技術人員，很多人已成長為高溫氣冷堆領域的中堅力量。

產學研融合體現在高溫氣冷堆攻關全過程、各方面，小到一張圖紙、一個軸承，大到完整系統設計、關鍵主設備制造……協同攻關成功推動一批關鍵設備出校園、下產線、進市場，從圖紙、樣品變成了產品。

“高溫氣冷堆產業化需要攻關很多設備，很多情況和以前不一樣，我們必須敢于創新，用新材料、新設備、新工藝來解決問題?！崩罡徽f，“這支大團隊的一個特點就是較真。誰技術上說得對，我們就聽誰的。”

這支團隊中，很多人把大部分職業生涯獻給了高溫氣冷堆事業?！绊椖孔隽?0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。