2023年12月6日，山東威海榮成石島灣，中國核能領域迎來振奮人心的歷史性時刻：高溫氣冷堆核電站示范工程正式投入商業(yè)運行。這是全球首座投入商業(yè)運行的第四代核電站，標志著中國在第四代核能技術研發(fā)和應用領域達到世界領先水平。
從2006年初被列入國家科技重大專項到總體方案被批準實施，再到示范工程開工；從工程建設完成并達到臨界狀態(tài)，再到成功投入商業(yè)運行，中國高溫氣冷堆核電站技術艱苦跋涉了約20年。讓我非常自豪的是，作為該項目總設計師、專職技術責任人、技術總師和現(xiàn)場副總指揮，我見證并領銜參與了中國高溫氣冷堆核電站從規(guī)劃和設計藍圖到成為生動現(xiàn)實的整個過程。
“卻顧所來徑，蒼蒼橫翠微。”我時常回想起那些揮汗如雨、日夜兼程的戰(zhàn)斗歲月，眼前浮現(xiàn)出與清華大學核能與新能源技術研究院的同事研討解決高溫氣冷堆技術難題的一個個場景，浮現(xiàn)出與來自華能集團、中核集團以及設備制造商等協(xié)作伙伴并肩作戰(zhàn)、合力攻關的一件件往事。
我們自強不息、厚德載物。
我們知難而進、眾志成城。
我們不負重托、不辱使命。
采用新型燃料和冷卻劑
備受矚目
石島灣高溫氣冷堆核電站是1979年美國三哩島核電站事故以來建設并商運投產(chǎn)的第一個創(chuàng)新型首臺套核電示范工程，一直備受矚目。與傳統(tǒng)核電站一般采用鋯合金棒狀燃料和水冷卻劑不同，石島灣高溫氣冷堆核電站采用碳化硅包覆顆粒燃料和氦氣冷卻劑，面對諸多難題。實際上，僅就核燃料研發(fā)生產(chǎn)難度而言，在當代工程技術中，大概只有航空發(fā)動機、芯片制造能與之相比。
完成輻照試驗是石島灣高溫氣冷堆核電站碳化硅包覆顆粒燃料面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。反應堆堆芯材料，尤其是核燃料要達到使用條件，必須先在與實際核反應堆運行相同輻照環(huán)境下，經(jīng)受全壽期考驗。這種輻照考驗要進行多次，不僅技術難度極高，而且耗資大，執(zhí)行周期很長。
核安全監(jiān)管是和平利用核能的基石。中國業(yè)已構(gòu)建了完備的國家核安全監(jiān)管體系，覆蓋核電廠址選擇、建造許可證發(fā)放、核電設備的設計和生產(chǎn)制造、核電運行、核電從業(yè)人員的培訓等全過程。石島灣高溫氣冷堆核電站所有技術創(chuàng)新都是在嚴格遵守國家核安全監(jiān)管標準和規(guī)則基礎上實現(xiàn)的，這既充分保障了核電站的安全性，也決定了推進每項技術創(chuàng)新都面臨極其嚴苛的安全標準和規(guī)則的考驗。
在實驗堆基礎上建設示范工程
奮勇跨越
中國高溫氣冷堆核能技術研發(fā)始于20世紀80年代初，在中國科學院院士王大中等的帶領下，清華大學開始先進核能技術研發(fā)，依托國家“863”計劃支持于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實驗堆。
我從2001年開始擔任清華大學核能與新能源技術研究院院長并主持有關工作。2003年，清華大學10兆瓦高溫氣冷實驗堆建成運行后，有關部門開始考慮推動建設一個工業(yè)規(guī)模放大數(shù)十倍的模塊式高溫氣冷堆核電站作為示范工程。同年，清華大學與中國核工業(yè)集團聯(lián)合創(chuàng)立了中核能源科技有限公司，作為產(chǎn)業(yè)化合作平臺。第二年，中國華能集團、中國核工業(yè)集團與清華大學簽署聯(lián)合協(xié)議，組建華能山東石島灣核電有限公司作為項目業(yè)主公司。各方精誠合作，開始攜手推進示范工程落地。
多方鼎力支持高溫氣冷堆核電站示范工程建設。原國防科工委的核能開發(fā)項目在工程設計方面給予支持，原國家電力公司在工程技術方案選擇研究方面提供支撐。2005年，高溫氣冷堆核電站示范工程總體技術方案基本完成，并簽署了業(yè)主合作協(xié)議，確定山東榮成石島灣為項目選址地，組建了產(chǎn)業(yè)化合作團隊。2006年，高溫氣冷堆核電站示范工程項目被列入《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，成為16個重大專項之一“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”的分項，中國第四代核能技術創(chuàng)新由此進入示范工程建設新階段。
示范工程建成商運投產(chǎn)
玉汝于成
2012年12月9日，高溫氣冷堆核電站示范工程在石島灣澆筑第一罐混凝土，正式拉開建設序幕。在此后10年間，我們產(chǎn)學研合作團隊在國務院相關部委和國家能源局的領導下，披荊斬棘，攻克一道道難關，迎來一座座工程建設里程碑：2015年，現(xiàn)場土建工程全部完成，廠房封頂；2016年3月和9月，兩臺反應堆壓力容器分別制造完成并在石島灣現(xiàn)場安裝就位；2018年5月和10月，首臺燃料裝卸系統(tǒng)和2套堆內(nèi)構(gòu)件安裝完成；2020年10月19日，首堆一回路冷態(tài)功能試驗一次成功；2021年9月，工程建成并實現(xiàn)首次臨界；2023年12月，順利完成168小時持續(xù)運行考核，開始投產(chǎn)運行。
在我們所攻克的示范工程諸多技術難關中，有兩道可以名列當代最為艱難的核電技術行列。
一道難關是大批量生產(chǎn)碳化硅包覆顆粒球形核燃料元件。該球形燃料元件每件有1.2萬個三層包覆TRISO型燃料顆粒，用來包容核裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)，每個顆粒直徑不到1毫米。根據(jù)測算，滿足示范工程對包覆顆粒的需求，年產(chǎn)能須達到30萬個球形燃料元件、36億個包覆顆粒。
為了解決包覆顆粒球形核燃料元件大規(guī)模工業(yè)制造難題，我們在清華大學預先建設了一條原型生產(chǎn)線，進行全范圍的實際運行試驗，之后將批量生產(chǎn)出的燃料元件樣品送到專門的高通量反應堆中開展輻照考驗并獲得了很好結(jié)果。以清華大學上述技術為依托，由中國核工業(yè)集團主持，在內(nèi)蒙古包頭北方核燃料公司開工建設了全球規(guī)模最大的碳化硅包覆顆粒核燃料元件工廠，解決了示范工程核燃料元件自主制造問題。類似的碳化硅包覆顆粒核燃料生產(chǎn)廠在美國于2022年宣布開工建設。
另一道技術難關是掌握反應堆用氦氣冷卻技術及研制一系列相關首臺套核心關鍵設備。氦氣是一種原子量僅多于氫氣的小分子惰性氣體，極難密封，在工業(yè)上被用作探測泄漏的氣體。要把幾萬標方的氦氣包容在一個運行壓力為70個大氣壓、裝有各種設備的反應堆里，是個巨大的工程技術挑戰(zhàn)。我們在反應堆用氦氣冷卻及氦氣密封上做了大量研究和試驗，成功解決了這一難題。石島灣高溫氣冷堆核電站經(jīng)過運行考驗，表明氦氣密封滿足設計要求，達到非常高的水平。
為了突破反應堆用氦氣冷卻關鍵技術，我們在清華大學昌平基地建設了一個全球規(guī)模最大的、熱功率達到10兆瓦的大型氦氣工程實驗設施。該設施可以模擬反應堆的高溫高壓氦氣環(huán)境，用于測試工廠中試制的首臺套大型設備，例如主氦風機、蒸汽發(fā)生器、燃料裝卸系統(tǒng)、控制棒、吸收球系統(tǒng)等，讓它們在進反應堆之前完成全工況長時間考驗。這個氦氣工程實驗設施，是實現(xiàn)氦氣冷卻技術突破的主要支撐性設施。相關裝備經(jīng)過氦氣環(huán)境試驗一旦被發(fā)現(xiàn)有問題，就必須更新設計，返回工廠改造，之后再進行試驗。如此往復，直到完全符合要求。
我們在上述過程中遇到了很多困難。有的是世界首臺，必須正面強攻；有的是原來設計的方案不適宜工程化，需要變更；還有的是國外有獨特技術能完成，而國內(nèi)短期無法突破，必須另尋他途。
玉汝于成，功不唐捐。我們憑著勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神，憑著集智攻關、團結(jié)協(xié)作的協(xié)同精神，解決一個又一個科技難題，研制出世界創(chuàng)新型首臺套的核心關鍵設備，形成了一批自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了一系列從圖紙到現(xiàn)實的關鍵科技突破。
為第四代核能奠定基礎
贏得點贊
石島灣高溫氣冷堆核電站建設成就在海內(nèi)外引起關注，贏得廣泛報道和評論。
在兩院院士評選的2023年中國十大科技進展中，石島灣高溫氣冷堆核電站商運投產(chǎn)成功入選。在2024年全國兩會的《政府工作報告》中，石島灣高溫氣冷堆核電站順利投運被視為中國第四代核電機組等高端裝備研制取得長足進展的代表性成就。
國際原子能機構(gòu)總干事在慶祝該核電站投產(chǎn)的賀信中表示，作為全球首座投入商業(yè)運行的球床模塊式高溫氣冷堆核電站，石島灣核電站投入商運恰逢氣候變化大會召開之際，極大地鼓舞了國際核工業(yè)界。對石島灣核電站商運投產(chǎn)，路透社刊發(fā)了題為《中國啟動全球首座第四代核反應堆》的報道。《華爾街日報》在相關報道中指出，一個更加安全和高效的下一代反應堆在中國東部開始商業(yè)運行，讓該國在核能領域獲得領先優(yōu)勢。《經(jīng)濟學人》刊文指出，石島灣高溫氣冷堆核電站是第四代核反應堆的一個例證，科學家們希望這些第四代核反應堆能夠更安全、更高效地發(fā)電；許多國家都在努力開發(fā)它們，但只有中國擁有一座商業(yè)規(guī)模的核電站；中國通過實驗證明，第四代核反應堆的理論安全優(yōu)勢在實踐中是有效的。
獲批建設后續(xù)商業(yè)化機組
未來可期
石島灣高溫氣冷堆核電站為第四代核能技術的開發(fā)和應用積累了成功經(jīng)驗，為后續(xù)項目建設開辟了廣闊道路。
2024年8月，中核集團江蘇徐圩核電一期工程獲得國務院核準，建設1臺60萬千瓦級高溫氣冷堆核電機組與兩臺華龍一號核電機組，共同為化工園區(qū)提供高溫高壓蒸汽及發(fā)電，這標志著后續(xù)商業(yè)化高溫氣冷堆核電機組建設工作進入實施前期階段。根據(jù)計劃，該工程建成后將年提供工業(yè)蒸汽3250萬噸，發(fā)電超過110億千瓦時，減排二氧化碳1960萬噸。
值得一提的是，石島灣高溫氣冷堆核電站是國際模塊化小型反應堆建設成就的新銳代表。根據(jù)國際原子能機構(gòu)最新公布的信息，全球正在開發(fā)的模塊化小型反應堆超過68種，有兩座已經(jīng)建成并進入運行階段，而中國的石島灣高溫氣冷堆核電站就是其中之一，并且是目前全球唯一采用第四代核能技術的模塊化小型反應堆，引領國際模塊化小型反應堆的發(fā)展。
從實驗堆到工業(yè)示范電站，中國核電科技工作者在高溫氣冷堆核電技術創(chuàng)新領域奮力攀登了約20載。我們接續(xù)奮斗，矢志不渝，把對祖國的熾熱深情，把對科學真理的探索激情，融入科技強國建設和中華民族偉大復興的偉業(yè)中，終于到達國際核電科技發(fā)展最前沿。走筆至此，我想表達感謝之情，感謝與我共同奮斗的團隊成員，感謝所有合作伙伴。
核能創(chuàng)新永無止境，核能和平利用前景無限。讓我們繼續(xù)攜手奮斗，進一步提高和完善高溫氣冷堆核能技術，為推進強核強國建設作出更大貢獻。
（作者為高溫氣冷堆核電站國家科技重大專項總設計師，清華大學核能與新能源技術研究院總工程師、原院長）
編輯：李華山
