从跟跑、并跑到领跑——高温气冷堆技术创新与发展


球床模块式高温气冷堆是固有安全的第四代核反应堆技术。在 “863” 国家高技术研究发展计划、国家科技重大专项的持续支持下,清华核研院科教融合、产学研协同创新,实现了从跟跑到并跑、到领跑世界的跨越式发展。

HTR-10实现从无到有的突破

世界核能技术的发展一直伴随着人类对核安全的警醒和反思。设计、建造即使在极端事故下,不需要任何人为干预,都不会发生大规模放射性释放,“固有安全”的“理想”反应堆是世界核能科学家的梦想。

以王大中、吴宗鑫、徐元辉等为代表的核研院老一辈科学家,以超前的战略眼光,瞄准了球床模块式高温气冷堆这一有可能实现“固有安全”的先进反应堆堆型,从上世纪80年代开始相关的基础研究和关键技术攻关。1986年,高温气冷堆项目被列入 “863” 国家高技术研究发展计划,目标是在核研院建设一座功率为10兆瓦的高温气冷实验堆(HTR-10)。

经过了大量研究、验证和一系列关键技术突破,HTR-10于1995年6月在清华大学核研院动工兴建,2000年12月建成临界;2003年1月完成满功率并网发电及系列运行试验和安全试验。

2004年,国际原子能机构组织来自24个国家的60余名专家,亲眼见证了“激动人心的时刻”:在HTR-10上实现了世界首次在实际反应堆上“抽出所有控制棒且叠加不紧急停堆”的实验,验证了模块式高温气冷堆的固有安全特性!

HTR-10的建成,使我国在高温气冷堆这一先进核能技术上迈出了从无到有、从跟踪核能强国脚步到与其并肩前行、从核能技术引进到国内自主创新的一大步。

HTR-PM实现从并跑到领跑的跨越

HTR-10验证了其优异的安全性,展示了广阔的应用前景。2006年,高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)作为“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”的一个分项,列入我国中长期发展规划的国家科技重大专项。2008年,高温气冷堆核电站重大专项总体实施方案获得国务院常务会议批准,张作义同志被任命为重大专项的总设计师。

重大专项的总目标是:以我国已经建成运行的10MW高温气冷实验堆为基础,攻克高温气冷堆工业放大与工程实验验证技术、高性能燃料元件批量制备技术,建成具有自主知识产权的20万千瓦级模块式高温气冷堆商业化示范电站,以及开展氦气透平直接循环发电及高温堆制氢等技术研究,为发展第四代核电技术奠定基础。

重大专项实施十余年来,清华核研院在科技创新的同时大胆探索体制机制创新,与中核集团、华能集团等核电企业以及上海电气集团、哈尔滨电气集团公司等装备制造企业组建产学研协同创新团队,参研参建各方联合攻关,攻克了高温气冷堆工业放大的关键技术和大量工程验证技术,一步步向着建成示范电站、全面完成重大专项目标任务的方向迈进,取得了以下三方面重要成果:

第一是全面完成示范工程关键技术攻关及工程试验验证。

经过十年持续研发,建成了世界规模最大的高温气冷堆试验验证平台,先后完成反应堆停堆系统、控制保护系统、主氦风机、燃料装卸系统、蒸汽发生器等示范工程关键主系统、主设备的1:1工程试验,为安全评审提供了有效的数据支持,也为示范工程调试运行及设计优化、固化提供了依据。

第二是攻克了球形燃料元件规模化生产技术并成功实现商业化。

球形燃料元件是高温气冷堆固有安全的重要基础,其制造技术是高温气冷堆发展的主要技术挑战。经过不断努力,我们在这一领域已经实现工业化生产,技术水平站在世界前列。

2011年,在核研院昌平基地建成年产10万个球形燃料元件的中试生产线并完成辐照样品生产,随机抽取的5个燃料元件被送往荷兰PETTEN高通量反应堆(HFR)进行堆内辐照试验,于2014年底完成试验。随后于2018年完成了辐照后性能检测及加热试验。一系列试验结果表明,我们生产的球形燃料元件的质量居于世界最好水平。

采用我们的技术,在包头市中核北方核燃料元件有限公司建成了年产30万个球形燃料元件的示范生产线,于2016年8月正式投产,产能及质量均达到设计要求,满足了示范工程装料需求。

第三是世界首座模块式高温气冷堆示范电站已完成土建、安装,进入全面调试阶段。

HTR-PM于2012年12月开工建设,在参建各方合力攻坚下,克服了世界首台套带来的研发与试验验证难度大、新技术新材料新工艺大量应用、设备制造复杂等多重挑战,于2015年完成核岛、常规岛主体结构施工,2016年完成首台主设备反应堆压力容器吊装,2019年完成首台蒸汽发生器吊装。

2020年以来,参建各方克服新冠肺炎疫情影响,先后完成两座反应堆“三壳组对”、两台主氦风机安装就位等关键节点目标。7月25日,示范工程进入最后的攻坚阶段——全面调试阶段。参建各方正在按照2021年底建成发电的目标全力推进。

伴随着专项实施,高温堆形成了由专利、专有技术等组成的知识产权体系。截至2020年6月,累计申请中国专利405项,已授权328项,其中发明专利262项;申请国际专利91项,已授权54项;计算机软件著作权29项;形成专有技术2000余项,研发出首台套设备2200余台,其中创新型设备660余台。知识产权体系的构建,为高温气冷堆技术稳健发展和“走出去”打下了坚实基础。

同时,通过承担国家科技重大专项,在人才队伍建设上也成功地迈上了由老一代科学家为主到年轻一代科学家担纲的台阶。一大批中青年技术骨干迅速成长起来,形成了老中青梯次结合的高温气冷堆研发、建设团队。年轻科学家们不但掌握了相关技术,而且学到了工程化过程中多系统协同、质保、核安全监管等多方面宝贵经验,适应了产学研融合、与企业深度合作的重大高技术创新模式,为我国高温气冷堆后续发展准备了必要的人才队伍。

高温气冷堆重大专项的实施推进,让我国高温气冷堆技术从“基本掌握”到“技术成熟”,从“实验室”到“工程应用”,占据了世界领先地位,打出了中国人自主研发、设计、建造商业核电站的一张靓丽名片,实现了我国先进核能技术从跟跑、“并跑”到“领跑世界”的飞跃。

供稿:核研院高温气冷堆团队

编辑:李华山

审核:程曦

专题链接:
2020年09月17日 11:10:39  清华新闻网

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