球床模塊式高溫氣冷堆是固有安全的第四代核反應(yīng)堆技術(shù)。在 “863” 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃、國家科技重大專項的持續(xù)支持下，清華核研院科教融合、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)了從跟跑到并跑、到領(lǐng)跑世界的跨越式發(fā)展。
HTR-10實現(xiàn)從無到有的突破
世界核能技術(shù)的發(fā)展一直伴隨著人類對核安全的警醒和反思。設(shè)計、建造即使在極端事故下，不需要任何人為干預(yù)，都不會發(fā)生大規(guī)模放射性釋放，“固有安全”的“理想”反應(yīng)堆是世界核能科學(xué)家的夢想。
以王大中、吳宗鑫、徐元輝等為代表的核研院老一輩科學(xué)家，以超前的戰(zhàn)略眼光，瞄準(zhǔn)了球床模塊式高溫氣冷堆這一有可能實現(xiàn)“固有安全”的先進反應(yīng)堆堆型，從上世紀80年代開始相關(guān)的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。1986年，高溫氣冷堆項目被列入 “863” 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃，目標(biāo)是在核研院建設(shè)一座功率為10兆瓦的高溫氣冷實驗堆（HTR-10）。
經(jīng)過了大量研究、驗證和一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，HTR-10于1995年6月在清華大學(xué)核研院動工興建，2000年12月建成臨界；2003年1月完成滿功率并網(wǎng)發(fā)電及系列運行試驗和安全試驗。
2004年，國際原子能機構(gòu)組織來自24個國家的60余名專家，親眼見證了“激動人心的時刻”：在HTR-10上實現(xiàn)了世界首次在實際反應(yīng)堆上“抽出所有控制棒且疊加不緊急停堆”的實驗，驗證了模塊式高溫氣冷堆的固有安全特性！
HTR-10的建成，使我國在高溫氣冷堆這一先進核能技術(shù)上邁出了從無到有、從跟蹤核能強國腳步到與其并肩前行、從核能技術(shù)引進到國內(nèi)自主創(chuàng)新的一大步。
HTR-PM實現(xiàn)從并跑到領(lǐng)跑的跨越
HTR-10驗證了其優(yōu)異的安全性，展示了廣闊的應(yīng)用前景。2006年，高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）作為“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”的一個分項，列入我國中長期發(fā)展規(guī)劃的國家科技重大專項。2008年，高溫氣冷堆核電站重大專項總體實施方案獲得國務(wù)院常務(wù)會議批準(zhǔn)，張作義同志被任命為重大專項的總設(shè)計師。
重大專項的總目標(biāo)是：以我國已經(jīng)建成運行的10MW高溫氣冷實驗堆為基礎(chǔ)，攻克高溫氣冷堆工業(yè)放大與工程實驗驗證技術(shù)、高性能燃料元件批量制備技術(shù)，建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的20萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆商業(yè)化示范電站，以及開展氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電及高溫堆制氫等技術(shù)研究，為發(fā)展第四代核電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
重大專項實施十余年來，清華核研院在科技創(chuàng)新的同時大膽探索體制機制創(chuàng)新，與中核集團、華能集團等核電企業(yè)以及上海電氣集團、哈爾濱電氣集團公司等裝備制造企業(yè)組建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新團隊，參研參建各方聯(lián)合攻關(guān)，攻克了高溫氣冷堆工業(yè)放大的關(guān)鍵技術(shù)和大量工程驗證技術(shù)，一步步向著建成示范電站、全面完成重大專項目標(biāo)任務(wù)的方向邁進，取得了以下三方面重要成果：
第一是全面完成示范工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及工程試驗驗證。
經(jīng)過十年持續(xù)研發(fā)，建成了世界規(guī)模最大的高溫氣冷堆試驗驗證平臺，先后完成反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、控制保護系統(tǒng)、主氦風(fēng)機、燃料裝卸系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器等示范工程關(guān)鍵主系統(tǒng)、主設(shè)備的1:1工程試驗，為安全評審提供了有效的數(shù)據(jù)支持，也為示范工程調(diào)試運行及設(shè)計優(yōu)化、固化提供了依據(jù)。
第二是攻克了球形燃料元件規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)并成功實現(xiàn)商業(yè)化。
球形燃料元件是高溫氣冷堆固有安全的重要基礎(chǔ)，其制造技術(shù)是高溫氣冷堆發(fā)展的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)過不斷努力，我們在這一領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，技術(shù)水平站在世界前列。
2011年，在核研院昌平基地建成年產(chǎn)10萬個球形燃料元件的中試生產(chǎn)線并完成輻照樣品生產(chǎn)，隨機抽取的5個燃料元件被送往荷蘭PETTEN高通量反應(yīng)堆(HFR)進行堆內(nèi)輻照試驗，于2014年底完成試驗。隨后于2018年完成了輻照后性能檢測及加熱試驗。一系列試驗結(jié)果表明，我們生產(chǎn)的球形燃料元件的質(zhì)量居于世界最好水平。
采用我們的技術(shù)，在包頭市中核北方核燃料元件有限公司建成了年產(chǎn)30萬個球形燃料元件的示范生產(chǎn)線，于2016年8月正式投產(chǎn)，產(chǎn)能及質(zhì)量均達到設(shè)計要求，滿足了示范工程裝料需求。
第三是世界首座模塊式高溫氣冷堆示范電站已完成土建、安裝，進入全面調(diào)試階段。
HTR-PM于2012年12月開工建設(shè)，在參建各方合力攻堅下，克服了世界首臺套帶來的研發(fā)與試驗驗證難度大、新技術(shù)新材料新工藝大量應(yīng)用、設(shè)備制造復(fù)雜等多重挑戰(zhàn)，于2015年完成核島、常規(guī)島主體結(jié)構(gòu)施工，2016年完成首臺主設(shè)備反應(yīng)堆壓力容器吊裝，2019年完成首臺蒸汽發(fā)生器吊裝。
2020年以來，參建各方克服新冠肺炎疫情影響，先后完成兩座反應(yīng)堆“三殼組對”、兩臺主氦風(fēng)機安裝就位等關(guān)鍵節(jié)點目標(biāo)。7月25日，示范工程進入最后的攻堅階段——全面調(diào)試階段。參建各方正在按照2021年底建成發(fā)電的目標(biāo)全力推進。
伴隨著專項實施，高溫堆形成了由專利、專有技術(shù)等組成的知識產(chǎn)權(quán)體系。截至2020年6月，累計申請中國專利405項，已授權(quán)328項，其中發(fā)明專利262項；申請國際專利91項，已授權(quán)54項；計算機軟件著作權(quán)29項；形成專有技術(shù)2000余項，研發(fā)出首臺套設(shè)備2200余臺，其中創(chuàng)新型設(shè)備660余臺。知識產(chǎn)權(quán)體系的構(gòu)建，為高溫氣冷堆技術(shù)穩(wěn)健發(fā)展和“走出去”打下了堅實基礎(chǔ)。
同時，通過承擔(dān)國家科技重大專項，在人才隊伍建設(shè)上也成功地邁上了由老一代科學(xué)家為主到年輕一代科學(xué)家擔(dān)綱的臺階。一大批中青年技術(shù)骨干迅速成長起來，形成了老中青梯次結(jié)合的高溫氣冷堆研發(fā)、建設(shè)團隊。年輕科學(xué)家們不但掌握了相關(guān)技術(shù)，而且學(xué)到了工程化過程中多系統(tǒng)協(xié)同、質(zhì)保、核安全監(jiān)管等多方面寶貴經(jīng)驗，適應(yīng)了產(chǎn)學(xué)研融合、與企業(yè)深度合作的重大高技術(shù)創(chuàng)新模式，為我國高溫氣冷堆后續(xù)發(fā)展準(zhǔn)備了必要的人才隊伍。
高溫氣冷堆重大專項的實施推進，讓我國高溫氣冷堆技術(shù)從“基本掌握”到“技術(shù)成熟”，從“實驗室”到“工程應(yīng)用”，占據(jù)了世界領(lǐng)先地位，打出了中國人自主研發(fā)、設(shè)計、建造商業(yè)核電站的一張靚麗名片，實現(xiàn)了我國先進核能技術(shù)從跟跑、“并跑”到“領(lǐng)跑世界”的飛躍。
供稿：核研院高溫氣冷堆團隊
編輯：李華山
審核：程曦
