專訪核電專項技術總師鄭明光、張作義：從“求分享”到“走出去”

2018-01-18 15:05:45 中國科技網　點擊量：評論 (0)

大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電國家科技重大專項是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中涉及的16個國家科技重大專項之

“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電”國家科技重大專項是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中涉及的16個國家科技重大專項之一。

借助于該專項的支持，壓水堆重大專項示范工程CAP1400實現了自主化和國產化，使我國核電產業鏈擺脫了受制于人的局面；山東省榮成石島灣核電廠的興建讓中國的高溫氣冷堆從“跟跑”走向“領跑”；核電企業補齊了短板，裝備制造能力實現了跨越；一大批頂尖核電人才逐漸成長起來。

5月14日至15日，在北京主辦“一帶一路”國際合作高峰論壇吸引了全世界的目光。

在清華大學能科樓見到國家科技重大專項高溫氣冷堆核電站示范工程總設計師、清華大學核研院院長張作義時，他剛從“一帶一路”活動的現場趕回來，因為沙特的能源部負責人想跟他聊聊高溫氣冷堆的事。這是今年3月16日，中沙兩國簽署《沙特高溫氣冷堆項目聯合可行性研究合作協議》后雙方在技術層面的再次深入交流。

在經歷了10年的快速發展之后，高溫氣冷堆終于走在了世界前沿，邁開了“走出去”的步伐。沙特、印尼等國家都對高溫氣冷堆表現出濃厚興趣，與我國達成了多項合作協議。這些成績讓張作義“很開心”。

同樣“開心”的還有國家科技重大專項大型先進壓水堆核電站總設計師、上海核工程研究設計院院長鄭明光。CAP1400已經成為我國核電“走出去”的名片，土耳其、南非等已經與我國就CAP1400技術合作開展了深度交流，簽訂了相關合作協議。

“今日的成績，是數十年的技術積累和對國外技術的消化吸收，是‘大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電’國家科技重大專項（簡稱專項）10年上下一心沖鋒陷陣，是幾代科學家的不懈努力才有的結果，來之不易。”張作義說。

10年，壓水堆技術青出于藍更勝于藍

坊間喜歡用CAP1400代表壓水堆重大專項，實際上它是壓水堆重大專項示范工程的代號，其中：“C”為“中國”英文單詞的首個字母，“A”“P”分別是“先進”和“非能動”英文單詞的首個字母，CAP1400含義為中國裝機容量為140萬千瓦等級的先進非能動核電技術，它是我國第三代核電技術的代表。

從一開始，CAP1400的定位就是在引進消化吸收AP1000核電技術的基礎上，實現再創新，實現自主知識產權和獨立出口權。10年間，在AP1000技術的基礎上，我國200多家企事業單位2萬多人經過消化、吸收、再創新，成功研發了功率更大、安全性更高的大型先進非能動核電型號——CAP1400，并使之真正成為了我國具有自主知識產權和獨立出口權的三代核電技術。

鄭明光回憶說，當年與美國簽下合同，引進AP1000還頗具契機，要不是當時美國核電發展遭遇資金困難，我國恐怕很難獲得這項先進技術的引進機會。

當初心有戚戚，生怕人家不賣，現在鄭明光全然沒有這樣的擔心了。他介紹，CAP1400項目經過技術攻關和近百項各類試驗，突破了國產化標準設計、型號設計、試驗驗證、核電站安全評價、主設備消化吸收、關鍵設備超大鍛件研制、安全殼制造、核島建造安裝等10項關鍵核心技術。截至2016年底，已形成知識產權2894項，新產品、新工藝、新材料、新裝置等179項。實現了我國三代核電技術研發、工程設計、設備制造、試驗驗證的自主化，并正在實現先進軟件平臺和先進核燃料的自主化。

值得一提的是，核電領域最受關注的安全性和經濟性，CAP1400都做到了青出于藍而勝于藍。各安全設施能力比AP1000提高了20%以上，85%以上設備實現國產化，造價已經可以控制在每千瓦2000美元左右，這一價格讓CAP1400“走出去”的競爭力進一步提升。

10年，高溫氣冷堆從跟蹤他國到領跑世界

今年年初，清華大學發布60萬千瓦高溫氣冷堆核電站技術方案。幾乎同一時間，首個高溫氣冷堆商業示范項目山東省榮成石島灣核電廠宣布將于2018年發電，這兩條消息引發外界廣泛關注。

這被外界認為是高溫氣冷堆發展的關鍵節點。

長期以來，外界對高溫氣冷堆的發展有過各種質疑——發電成本太高、不實用、前景有限等等。然而現在，我國自主研發的世界首座具有第四代核電技術特征的高溫氣冷堆核電站將真正建成了，不僅要發電還要實現商業化應用。

外媒用“領跑”來形容中國在高溫氣冷堆領域取得的成績。對于張作義和他的同事們來說，內心是自豪的，他說，我們從863時的跟蹤高技術，到現在走到“領跑”的位置，這條創新路上有過很多曲折?，F在我們已經在這一領域處于國際先進行列，在示范工程上大概要領先其他國家5年—10年。

“專項將最優秀的人和資源集中起來，對關鍵技術進行突破，有獨特的優勢。”張作義說，他從事核電研究多年，專項與以往做科研卻是大不相同，這其中最大的不同就是讓科學家們再也不擔心資源問題，只用埋頭苦干，向前沖，效率極高。

正因為這樣的高效率，在10年的時間里，全球首座高溫氣冷堆商業示范電站研發設計工作全部完成，大部分主設備已安裝就位，工程轉入調試階段。形成新產品、新材料、新工藝、新裝置等近千項，知識產權3000余項。

張作義說，下一步他和同事們要干的事還有不少——要加速實現石島灣核電站并網發電；希望組建產業聯盟，推動我國制造業的創新發展；要將現有高溫氣冷堆的溫度從750攝氏度提升到1000攝氏度，提高燃料使用效率；要把萬眾期待的高溫氣冷堆制氫真正實現。

10年，我們補足了核電制造裝備的短板

鄭明光說，當初擔任壓水堆項目的總設計師壓力真不小，而最大的壓力就來自于設備制造，一個設備設計出來后卻找不到會生產的廠家這是他和同事們常遇到的情況。為降低設備研制風險同時培育良性的競爭氛圍，CAP1400在研發設計的同時開展設備研制及國產化——對一些關鍵設備都安排兩到三家廠家進行培育，對特別重要的設備如主泵甚至采用兩條技術路線并行的策略，借助于專項的支持，國內各大制造企業完成了從不會到會、從二代到三代的蛻變，裝備制造能力實現了跨越。

由于CAP1400機組采用二回路設計，每一回路就需要承受70—75萬千瓦的功率，這對蒸汽發生器等配套的設備要求就非常之高，當時國產化設備的制造能力還未達到能制造如此大功率設備的水平。而現在，10年的專項，10年的科研攻關成就了CAP140085%以上的設備國產化率。

根據科技部重大專項辦公室材料顯示，壓水堆項目自主研制的超大型鍛件、690合金管、壓力容器密封件、核級鋯材等40余項關鍵材料，為我國核電、軍工等行業發展作出巨大貢獻。目前，已具備年產6臺到8臺套三代核電設備供貨能力。

另一方面，高溫氣冷堆關鍵設備，如控制棒驅動機構、燃料裝卸料系統等已實現供貨，球形燃料元件也已產業化生產。2014年9月，擁有完全自主知識產權的高溫氣冷堆核電站示范工程燃料元件生產線已完成安裝，可每年提供約30萬個球形燃料元件。

這其中最典型的當屬主氦風機的面世。主氦風機是高溫氣冷堆核電站的心臟裝備。2008年起就開始部署其制造技術、電磁軸承技術等攻關任務，終于在2014年，我國首臺高溫氣冷堆主氦風機樣機研制成功。然而其他核電堆型主泵設備出現的問題，讓項目組決定繼續試驗主氦風機，最終在2016年5月宣布成功。

從2008年到2016年，這臺設備走過了8年，最終獲得成功，但它不是唯一。

根據國家科技重大專項年度報告，目前我國已突破高溫氣冷堆的全部核心技術，并有多個世界首創，如世界最大商業化規模的陶瓷包覆顆粒球形燃料元件生產廠、首個電磁軸承主氦風機等。此外，反應堆壓力容器、蒸汽發生器等主設備也已完全國產化。

10年，我們讓核電人才發展壯大

大家都知道，創新的先決條件是人才，10年核電專項建設，人才隊伍的建設一直都是重中之重。

張作義在接受科技日報采訪時說，高溫氣冷堆項目開始時他慶幸前輩們曾經的堅持留下了一批當時四五十歲左右的人才，而今天他看到的是各個年齡段的人才，特別是現在30多歲的一批年輕人在專項中成長起來了。“這批人才存在于科研、制造等各個領域，即便是放到全世界的舞臺上，他們也是優秀的、頂尖的。”他說。

在壓水堆領域，鄭明光和他的團隊同樣是業界的翹楚。他告訴科技日報記者，不僅有上海核工院覆蓋全核島8大領域31個學科101個專業的科研人員在這10年里快速成長，更有包括上海電氣、東方電氣等一批制造企業的工程師們成為各領域的專家。

10年專項造就了一支技術水平高、工程經驗豐富、專業配備合理的研發人才隊伍。現在，CAP1400型號研發、核電安全評價、高溫氣冷堆燃料元件研發等41個創新團隊在核電領域都是響當當的。他們中不僅有鄭明光、張作義等創新領軍人物。其中，還有9人入選“千人計劃”，以及各類科技人才、青年學術和技術帶頭人800余人。

創新團隊

他們研制的“密封環”打破國外半個世紀壟斷

“密封”是核電運行和事故狀態下防止泄漏的第一關。

CAP1400核電的建設也不例外，尤其是核反應堆壓力容器主密封（O型密封環），屬核一級設備使用，是整個核電密封系統中最復雜、最重要的密封。長期工作于340℃以上高溫、15MPa的高壓、高輻射的惡劣環境，且每隔12—18個月因加換燃料必須整套更換，需求量大。50年來該技術一直被美國Garlock公司獨家壟斷。不僅價格昂貴，而且購買時還需要向美國安全管理委員會備案，保證不用于軍事和出口。

因此，在CAP1400核電的建設中，密封環的國產化將是一個急需突破的難題。

早在2010年，為秦山核電服務的寧波天生密封件有限公司總經理勵行根，就立志要成功研制反應堆壓力容器O型密封環。

2014年，CAP1400核反應堆壓力容器O型密封環的研制及其性能試驗被列為國家重大專項，國家投資1億多元建設1∶1O型密封環試驗平臺，該實驗平臺將用于驗證勵行根所帶領團隊所研制的O型密封環的實際工況的應用性能，預計2018年6月完成投用。

2014年底，勵行根團隊所研制的O型密封環已取得階段性進展，研制過程中，他們發明了O形環直管開孔技術，創新性地提出了先開孔后成型的工藝，克服了國外產品先成型后開孔的缺點，不僅一次性解決了雜物殘留問題，達到產品A1級清潔度要求，也大大提高了開孔精度。同時還掌握了薄壁合金Inconel718管材的自重熔焊技術，既提高了焊縫的平整度，又保證了焊后接頭凸起0.05毫米，解決了焊接后焊縫不得凹陷的技術難點。

他們研制的O型密封環，直徑4米以上，其公差可控制在±0.2毫米以內，完全滿足核電反應堆壓力容器的使用條件。同時徹底打破了美國公司對此類密封的壟斷，完全解除了美國對我國核反應堆密封技術用于軍事和出口的遏制，為我國成為核強國、核電出口大國作出重要貢獻，對國家核發展具有重大的戰略意義。

典型案例

“每天都有應對挑戰的激情和并肩作戰的歡樂”

2018年，山東石島灣——由華能集團負責建設的全球首座球床模塊式高溫氣冷堆示范將完成并網發電，這將是國家科技重大專項成果取得的又一項重大標志性成果。因為它代表了第四代核電技術在商業應用領域邁出的第一步。

作為工程建設的親歷者，華能核電副總經理呂華權對石島灣項目建設過程深有感觸。他說，建設過程確實遇到許多困難，但對他和同事們來說卻是獨特的體驗——每天都有應對挑戰的激情和并肩作戰的歡樂。

曾經很長時間，建設石島灣的專家們的主要工作是“搬磚”和“砌墻”，但這個工作可沒有聽上去那么簡單。高溫堆的陶瓷堆內構件由碳磚和石墨磚組成，一共分為53層。陶瓷堆內構件的安裝過程實際上類似于蓋房子“砌磚”，但這種“砌磚”工作，既沒有水泥黏合，也沒有錨固、螺栓，更沒有焊接。每塊磚之間還有孔洞，這些孔洞拼裝后形成控制棒、吸收球和氦氣孔道。

呂華權說，為防止控制棒卡棒、吸收球卡球以及氦氣漏流，精度要求極高。上千塊磚要嚴絲合縫，磚與磚的縫隙以及每塊磚所在的相對位置，都不能有一點閃失。據說整個過程都是一步一測，來保障最后陶瓷堆內構件安裝完成后，頂層高度誤差不超過1毫米，平面度誤差不超過0.55毫米，控制在設計要求之內。

說起來，石島灣的專家們不僅要干“體力活”,還要干張飛穿針的技術活。在完成堆芯殼的調整之后，他們要進行堆內千余塊零部件的安裝。其中底部金屬堆內構件作為整個“積木”的底座，直徑約5米，水平度要求誤差在0.2毫米以內，光這項工作他們就忙活了2個月。

在吊裝高溫堆的壓力容器過程中，需將容器臥式翻轉為立式，為防止翻轉過程中卸料管因承受巨大壓力造成破壞，需要運用兩臺吊車進行雙機抬吊。并且，吊裝過程壓力容器要從0米升至高約50米再落位至0米，垂直行程約100米。更為困難的是，在落位過程中，卸料管需穿過一個樓板孔洞，管與洞內側的距離僅為25毫米，還必須確保卸料管與孔洞不發生碰撞。

這樣的事情在高溫氣冷堆的建設過程中每天都在發生，石島灣的建設者們在干活的時候都提著一股勁，時刻準備迎接新挑戰。