高温气冷堆重大专项向产业化迈进

——关键设备研制验证密集突破

来源:科技日报 2014-11-1 张盖伦

  山东荣成石岛湾,世界首座球床模块式高温气冷堆商用示范电站正在慢慢露出它的雏形。

  经过近两年的施工,它已经从地下18米“生长”到了地上约10米。今年年底,它的形象高度将超过20米。

  这还只是工程外观,而将要安装在它体内那些至关重要的“器官”——高温气冷堆关键设备的研制验证工作已经取得重大突破,中国领跑这一技术领域的产业化应用,已成定局。

自主创新 技术难题逐一攻克

  10月28日至31日,第7届国际高温气冷堆技术峰会在示范工程所在地山东荣成举行。来自国际原子能机构、美国、俄罗斯等17个国家和地区的专家前来分享中国经验。

  2006年,高温气冷堆示范工程被确立为国家科技重大专项。该专项的一个核心目标,就是要以清华大学2003年建成的10兆瓦高温气冷实验堆为基础,攻克工业放大和工程实验验证、高性能燃料元件批量制备等技术,建成具有自主知识产权的20万千瓦级全球首座球床模块式高温气冷堆商用示范电站。

  今年下半年以来,关键设备研制验证的技术难关逐一攻破。

  10月3日,最新的消息传来,控制棒驱动机构样机顺利完成了热态工程验证试验。控制棒系统是高温气冷堆核电站的反应性控制和停堆的重要手段。经过4个多月的热态工程验证试验,控制棒累计行程超过100KM,相当于在实际核反应堆中运行了80年。成功经受住了“80年”的检验,控制棒驱动机构的性能指标、运行可靠性和安全性得到验证。

  9月中旬,高温气冷堆球形燃料元件生产线的设备安装工作,在内蒙古包头宣告完成。高温气冷堆被认为具有固有安全性,能保证任何事故下,即使不借助能动安全系统,也不会发生堆芯熔化和放射性大量释放的严重后果,其关键就在于燃料元件。这条依托重大专项建设的年产30万个球形燃料元件的生产线,包括二氧化铀核芯制备设备、包覆燃料颗粒生产全套设备、球形燃料元件压制线等,全部采用我国自主设计、具有完整知识产权的主要工艺和设备。这条生产线,解决了高温气冷堆运作的“食物”问题,为其工程建设、运行以及后续产业化应用提供了重要条件保障。

  同样是在9月,高温气冷堆的核心设备蒸汽发生器完成了首套螺旋盘管组件的安装。由于采用多项创新性设计和制造工艺,这是一次几乎没有先例可以借鉴的尝试。

  蒸汽发生器的主要功能,是将反应堆内产生的热量通过一次侧的高温氦气将二次侧的水加热成为过热蒸汽而推动汽轮机发电。螺旋盘管组件装配工艺是蒸汽发生器研制中最为复杂的一道技术难关,其承重组件加工精度要求高,超长盘管管束吊装及对中难度大,装配间隙小到只能容纳3根头发丝。为了解决这一难题,清华大学核研院组织教师、技术工人和学生联合攻关,研制了一整套螺旋盘管套装工艺和配套专用工装工具,并且完成了螺旋盘管组件的安装。这一成果的取得,标志着我国已经突破了高温气冷堆蒸汽发生器主要制造工艺的技术瓶颈。

  再往前回溯。

  8月,高温气冷堆核电站的“心脏装备”主氦风机工程样机完成100小时热态满功率连续运行试验,并通过国家能源局组织的验收评审。这是我国先进核能系统核心装备技术自主创新的一次重大突破。

  主氦风机用于在高温气冷堆启动、功率运行和停堆等工况时提供足够流量的冷却剂氦气。通过一回路系统,将反应堆堆芯产生的热量带走。主氦风机样机的研制,解决了整机总体设计、大型氦气置入式立式高速电动机研制、电磁悬浮轴承支撑的转子动力学分析、高性能叶轮的研制以及大电流、高压差、高电压一回路边界电气贯穿件的研制等一系列重大技术问题,是世界高温气冷堆技术研发中的主要技术难关。

  7月,高温气冷堆核电站的“神经系统”——数字化控制保护系统工程样机,完成了包括7项环境应力试验、13项电磁兼容试验,以及抗震试验在内的全部样机鉴定试验。

产学研结合 让技术创新走出实验室

  在高温气冷堆重大专项总设计师、清华大学核研院院长张作义看来,这些成果的取得,意味着我国高温气冷堆示范工程建设在设备制造方面的技术难题已经基本得到解决。

  成果的背后,是多年来,高温气冷堆项目参与各方的共同努力。毕竟,让一项技术从实验室走向工业化,正如张作义形容的,就是“爬雪山、过草地”。

  一起“爬雪山、过草地”的,是一个产学研紧密结合的团队。

  2003年,由于资源优势的高度互补,清华大学和中国核工业建设集团开始产学研合作,共同组建中核能源科技有限公司作为产业化平台,启动了高温气冷堆的产业化工作。

  2006年,清华大学、中国核工业建设集团、中国华能集团联合出资建设高温气冷堆示范工程,由此形成了完整的产业链。在这一体系中,清华大学核研院作为研发设计责任主体,负责技术研发、提供设计和技术支持;中核能源科技有限公司作为重大专项的工程实施主体,负责示范工程核岛及其辅助系统的设计、采购、建造总承包;华能山东石岛湾核电公司负责示范工程的投资运营。这一分工协作模式也得到了国家重大专项的认可和支持。

  至于产学研结合,则几乎体现在整个高温气冷堆工程的各个方面:从产业化体系的顶层设计,到工作责任的分工与协作,甚至到每一项关键设备研制的过程,都不是哪一方单打独斗的结果。

  就拿主氦风机工程样机的研制来说,清华大学核研院发挥技术优势,负责总体技术并提供电磁轴承、负责整机调试及试验;佳木斯电机公司负责电机;上海电气鼓风机厂负责叶轮及整机总装和试验平台;中核能源科技有限公司负责项目管理、监造和质保。项目各方紧密合作,促成了世界首台套大功率电磁轴承主氦风机工程样机的研制成功。

商业化推广 把产品和服务卖出去

  9月下旬,国际原子能机构第58届大会在维也纳召开,高温气冷堆在中国加入国际原子能机构30周年成就展上亮相,引起世界广泛关注。

  到了2017年,高温气冷堆真正建成并网发电,山东荣成石岛湾或将聚焦世界的目光。

  示范工程只是高温气冷堆技术产业化工作的起步。高温气冷堆重大专项总设计师、清华大学核研院院长张作义和整个产业化工作团队在推进示范工程建设的同时,也在统筹谋划具有自主知识产权的高温气冷堆面向国际、国内两个市场的商业化推广。

  东南亚、中东地区甚至欧洲的众多国家,包括国内的一些潜在用户,都对高温气冷堆在核能发电、海水淡化、石油化工、煤化工等领域的应用有着浓厚兴趣,相关的合作洽谈正在开展。

  目前,中国核工业建设集团和清华大学正在启动60万千瓦多模块高温气冷堆项目,厂址选择、初步可行性研究等前期工作也已经在进行中。

2014年11月02日 11:25:43  清华新闻网

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