國資報告：“華龍一號”創(chuàng)新啟示錄
文章來源：國資報告 發(fā)布時間：2021-03-26
1月30日，“華龍一號”全球首堆——中核集團福建福清核電5號機組投入商業(yè)運行。這標(biāo)志著我國在三代核電技術(shù)領(lǐng)域躋身世界前列，成為繼美國、法國、俄羅斯等國家之后真正掌握三代核電技術(shù)的國家。
黨的十九屆五中全會提出，堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。
從1997年提出以“177堆芯”為主要特征的CNP1000，到2009年提出“能動+非能動”為主要特征的CP1000，再到ACP1000、“華龍一號”，中國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦級核電站經(jīng)過二十多年的努力與拼搏，終于建成投運，也給我國開展自主創(chuàng)新提供了諸多經(jīng)驗和啟示。
長期主義
“華龍一號”的成功并非偶然，也不是一蹴而就，而是經(jīng)過了長期奮斗。
上世紀(jì)90年代，中核集團核動力院在完成了中國首座自主研發(fā)設(shè)計的60萬千瓦核電站——秦山二期核電工程后，啟動了自主百萬千瓦級核電技術(shù)的研發(fā)工作。
一個核電站的設(shè)計，最核心的就是堆芯，堆芯確定了，反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)才能設(shè)計定型，一回路確定，二回路系統(tǒng)才能進行設(shè)計。
當(dāng)時世界核電通用趨勢是在堆芯設(shè)計上采用157堆芯，核動力院的研發(fā)團隊則在充分論證可行性后，提出了177堆芯的方案，這成為“華龍一號”誕生的源頭和核心技術(shù)的基礎(chǔ)。
從“157”到“177”，看似簡單，實則復(fù)雜。在充分考慮熱量傳遞、燃料富集度等組件之間相互制約的因素后，還要提升堆芯性能，并不是一件容易的事情。
據(jù)“華龍一號”副總設(shè)計師、核反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)總設(shè)計師劉昌文回憶，為在參數(shù)的平衡間找到最優(yōu)的布置方式，科研人員自我加壓，艱難攻關(guān)，在堆芯裝載方案沒有顛覆性調(diào)整的情況下，成功地將組件最大燃耗降低到了限值以內(nèi)，在安全性、經(jīng)濟性和對下游專業(yè)的影響之間取得了較好的平衡。
核電的自主創(chuàng)新并非閉門造車，而是廣泛吸收國際先進經(jīng)驗和成果。歐美推出的AP1000、ERP等第三代核電技術(shù)，無論是安全性還是經(jīng)濟性方面，都提出了更高的要求，應(yīng)對事故的能力更強。對此，中核集團科研團隊汲取國際上第三代核電站設(shè)計理念，重新定位了自主百萬千瓦級技術(shù)的研發(fā)目標(biāo)，形成了一個具有三代特征的自主核電技術(shù)，這就是CP1000。
邢繼于2009年進入這一研發(fā)團隊，并擔(dān)任這一型號的總設(shè)計師。隨后，研發(fā)團隊提出了“能動+非能動”的初步設(shè)想，并落實在CP1000方案中。
“華龍一號”全球首堆
CP1000計劃在2011年底開工，邢繼科研團隊在2010年底就完成了初步安全分析報告編制，并上報到國家核安全局。然而，2011年3月日本福島核事故發(fā)生后，我國制定了核電安全發(fā)展的四項決定，根據(jù)新的要求，CP1000需要重新論證。
日本福島核事故雖然阻止了CP1000，但沒有阻止中國核電自主研發(fā)前進的步伐。在研發(fā)CP1000的同時，中核集團已經(jīng)提前策劃布局并開展了自主三代核電的研究，也就是后來的ACP1000，日本福島核事故可以說加速了這一型號的面世。
ACP1000既然定位三代核電，就要按照三代核電的要求，和國際最高水平來設(shè)計。而這個高目標(biāo)，給工程師們帶來漫長而艱難的挑戰(zhàn)。
日本福島核事故后，核電站能抗多大級別地震，成為人們關(guān)注的問題。在抗震要求方面，歐洲的ERP堆型為0.25g，而ACP1000則將抗震要求從0.25g提升到了0.3g。
為了啃下0.3g抗震的這塊硬骨頭，從2012年底到2014年底，抗震設(shè)計團隊的工程師們幾乎沒日沒夜地在辦公室里計算。
“最擔(dān)心計算出錯，因為一旦計算出錯，可能會因為連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致上游工藝專業(yè)的工作都白做了。那段時間，工作的壓力非常大，連睡覺時都會經(jīng)常反復(fù)地思考計算參數(shù)，感到有問題時，就會冒冷汗。”抗震攻關(guān)團隊的專家楊建華說。
在抗震攻關(guān)團隊夜以繼日的努力下，經(jīng)歷了五次抗震設(shè)計迭代優(yōu)化，終于形成了最終的“華龍一號”布置方案。
類似的科研攻關(guān)故事還有很多。蒸汽發(fā)生器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一。長期以來，蒸汽發(fā)生器的設(shè)計技術(shù)，只掌握在美國西屋、法國阿海琺等少數(shù)國外公司手中，設(shè)計新型號的百萬千瓦級核電站蒸汽發(fā)生器，在國內(nèi)尚無先例。
從事蒸汽發(fā)生器設(shè)計研究近30年的專家張富源擔(dān)任攻關(guān)組組長兼專家組組長。為了攻關(guān)，張富源帶領(lǐng)團隊成員，常常24小時守在試驗現(xiàn)場。經(jīng)過27個月的攻關(guān)，第三代核電ZH-65型蒸汽發(fā)生器問世。相比之下，美國、法國制造首臺三代核電蒸汽發(fā)生器的時間用了將近40個月。而與國外三代核電蒸汽發(fā)生器相比，ZH-65型蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽壓力更高、蒸汽溫度更低、經(jīng)濟型更高。
2015年5月7日，“華龍一號”全球首堆——中核集團福建福清核電5號機組正式開工建設(shè)。2021年1月30日，“華龍一號”投入商業(yè)運行。據(jù)了解，“華龍一號”擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)體系，專利700余件，軟件著作權(quán)120余項。
20世紀(jì)80年代以來，我國核電從秦山起步，掀開了核能開發(fā)利用的新篇章。在自主設(shè)計建造秦山一期、秦山二期、嶺澳二期等核電廠基礎(chǔ)上，中核集團歷經(jīng)20多年砥礪創(chuàng)新，成功自主研發(fā)了三代核電技術(shù)“華龍一號”。
“‘華龍一號’是中國核工業(yè)多年來堅持自主創(chuàng)新的成果。”“華龍一號”總設(shè)計師邢繼說。“從CNP1000、CP1000、AP1000再到“華龍一號”，20年4個自主型號的名稱，折射出的是一代接一代中國核工業(yè)人，在自主創(chuàng)新核電技術(shù)的艱難歷程上不斷追求更高目標(biāo)的執(zhí)著精神，是對初心的堅守。”
協(xié)同創(chuàng)新
核電站是高度復(fù)雜的能源系統(tǒng)。“華龍一號”能順利投入商用，除了我國核工業(yè)體系的整體進步，和我們自身掌握核心技術(shù)，還在于各方大力協(xié)同。
“華龍一號”的研發(fā)，集結(jié)了國內(nèi)17家高校、科研院所的力量，國外有14家企業(yè)或大學(xué)參與，簽署科研合作協(xié)議上百項。邢繼介紹說，“華龍一號”在研發(fā)過程中，開展了產(chǎn)學(xué)研合作，克服了很多困難，解決設(shè)備國產(chǎn)化難題，滿足第三代核電要求，在核電主設(shè)備上通過聯(lián)合研制實現(xiàn)了100%的國產(chǎn)化。
其中，所有設(shè)備國產(chǎn)化進程中，最艱難的就是“華龍一號”主泵的國產(chǎn)化。
主泵作為反應(yīng)堆中循環(huán)系統(tǒng)的動力源，被業(yè)界比喻為核電站“心臟”，結(jié)構(gòu)精密、系統(tǒng)復(fù)雜、制造難度極大，2008年之前國內(nèi)已建成核電站的主泵均是從國外進口。
2007年，中核集團中核工程開始承擔(dān)核電廠總承包工作。在首次承擔(dān)核電總承包開始階段，中核工程就發(fā)揮自主設(shè)計的優(yōu)勢，對主泵全球重要供貨商的泵型進行了全面的比較，依托當(dāng)時的福清1、2號和方家山項目，在主泵的設(shè)備采購中明確要求國外投標(biāo)商尋找國內(nèi)合作伙伴，并進行關(guān)鍵重要零部件的國產(chǎn)化分包和技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
通過艱苦的談判，中核工程和安德里茨公司在福清、方家山項目上達成共識，支持哈電實現(xiàn)主泵國產(chǎn)化和技術(shù)轉(zhuǎn)讓，并在哈電與安德里茨簽訂的分包和技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同中明確，由安德里茨幫助哈電實現(xiàn)主泵的國產(chǎn)化和技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
主泵的國產(chǎn)化是一個非常困難的過程，國內(nèi)參與主泵項目各單位在主泵設(shè)計、原材料、制造、試驗、產(chǎn)能、項目管理等多方面存在嚴(yán)重不足。面對這些問題，中核工程積極分析梳理問題的癥結(jié)，建立了從基層項目管理人員到公司領(lǐng)導(dǎo)甚至中核集團領(lǐng)導(dǎo)的協(xié)調(diào)機制，成立了主泵國產(chǎn)化的專項組，針對主泵國內(nèi)重要供方實施蹲點策略，安排項目人員現(xiàn)場指導(dǎo)和推動廠家主泵國產(chǎn)化進展，幫助廠家建立了一整套主泵項目管理、質(zhì)保體系。
“華龍一號”全球首堆建設(shè)場景
2008年11月，中核工程與哈電動裝及安德里茨聯(lián)合簽訂福清方家山項目主泵供貨合同，2009年哈電開展全流量試驗臺架啟動方案設(shè)計，總投資約2億人民幣，于2012年建成并投入使用，最終在福清5號機組獨立實現(xiàn)主泵總裝。
在“華龍一號”研發(fā)過程中，類似這樣的事還有很多，“華龍一號”研發(fā)團隊聯(lián)合東方電氣、哈電集團等58家國有企業(yè)，聯(lián)動140余家民營企業(yè)，帶動上下游產(chǎn)業(yè)鏈5000多家企業(yè)，共同突破了411臺核心裝備的國產(chǎn)化，首堆工程國產(chǎn)化率達到88%，實現(xiàn)了由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的飛躍。
不僅關(guān)鍵設(shè)備，核電建設(shè)用的大宗材料也都離不開協(xié)同攻關(guān)。比如電纜，三代核電站電纜鑒定壽命是60年。中核集團與廠家一起研究，實現(xiàn)電纜壽命的延長，提高耐高溫高壓性能。再比如安全級電纜的熱縮套管，中核集團和國內(nèi)企業(yè)聯(lián)合研發(fā)打破了國外壟斷，價格只是國外廠家的1/5。
2015年5月7日，“華龍一號”示范工程福清核電5號機組正式開工建設(shè)。“華龍一號”首堆工程涉及大的專業(yè)領(lǐng)域70多個，80多個構(gòu)筑物，360多個系統(tǒng)，工程設(shè)計圖紙20萬張以上。尤其是設(shè)備國產(chǎn)化率較高，包含“三新”設(shè)備（新設(shè)計、新廠家、新技術(shù)）111項。可以說，每一個細節(jié)的創(chuàng)新，都對設(shè)計、采購、施工、調(diào)試，乃至商務(wù)、核安全等各個環(huán)節(jié)提出了更高的要求，對整體的項目控制而言也意味著更大的挑戰(zhàn)。
為了確保首堆工程順利推進，在中核集團主要領(lǐng)導(dǎo)牽頭下引入了Top10制度、沙盤推演等項目管理工具。其中，Top10制度是梳理和總結(jié)項目進展中存在的影響力和風(fēng)險性較大的進度節(jié)點，可以集中調(diào)動優(yōu)勢力量實現(xiàn)協(xié)同。而用于模擬項目管理與策劃工作的沙盤推演，被推廣到設(shè)計、采購、施工等環(huán)節(jié)，增強了對項目風(fēng)險的預(yù)見性和控制效能，能夠使進度節(jié)點都得到有效把控和落實，對“三新”設(shè)備的風(fēng)險控制和平穩(wěn)運行具有非常重要的意義。
在各方協(xié)同之下，“華龍一號”全球首堆的建設(shè)穩(wěn)步向前推進，相繼完成穹頂?shù)跹b、冷試、熱態(tài)性能試驗、第一組燃料組件入堆等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2020年11月27日，經(jīng)過5年多建設(shè)，“華龍一號”并網(wǎng)發(fā)電。2021年1月30日，“華龍一號”宣布商用。這也是世界上首個按照計劃工期推進的三代核電機組。
可以說，“華龍一號”從研發(fā)到建設(shè)，充分體現(xiàn)了中國特色社會主義制度集中力量辦大事的顯著優(yōu)勢，成功把“華龍一號”從設(shè)計圖紙變成了宏偉工程，譜寫了雄壯的大國重器進行曲。
走向世界
“華龍一號”數(shù)十年磨一劍，成功投入商業(yè)運行，實現(xiàn)了幾代核電人的夢想，這是我國核能發(fā)展史上具有里程碑意義的成果，向黨中央和全國人民交出了一份合格答卷。
作為中國高端制造業(yè)走向世界的“國家名片”，“華龍一號”設(shè)計壽命為60年，反應(yīng)堆采用177堆芯設(shè)計，堆芯設(shè)計換料周期18個月，創(chuàng)新采用“能動和非能動”相結(jié)合安全系統(tǒng)及雙層安全殼等技術(shù)，在安全性上滿足國際最高安全標(biāo)準(zhǔn)要求。
“華龍一號”每臺機組裝機容量116.1萬千瓦，每年發(fā)電近100億度，能夠滿足中等發(fā)達國家100萬人口的年度生產(chǎn)和生活用電需求，每年可減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗312萬噸、減少二氧化碳排放816萬噸，相當(dāng)于植樹造林7000多萬棵。
“華龍一號”的成功，標(biāo)志著我國已成為繼美國、俄羅斯、法國等國家之后真正掌握自主三代核電技術(shù)的國家，我國核工業(yè)的自主創(chuàng)新能力和核心競爭力實現(xiàn)了大幅躍升，建設(shè)核工業(yè)強國邁出了堅實一步。
“華龍一號”堆型的深度自主化設(shè)計，也為解決“華龍一號”技術(shù)出口第三國可能的核禁運限制鋪平了道路，并將有效發(fā)揮國內(nèi)高端設(shè)備制造產(chǎn)能優(yōu)勢，帶動產(chǎn)業(yè)集群轉(zhuǎn)型升級。
2018年10月11日，美國能源部發(fā)布《美國對中國民用核能合作框架》，對我國核能進口實施選擇性禁止。這使邢繼更加深刻地認(rèn)識到“華龍一號”對國家經(jīng)濟、大國政策、“一帶一路”、核工業(yè)強國、裝備制造升級的意義和價值。建成三代核電是根本，但要真正實現(xiàn)領(lǐng)跑還要形成華龍標(biāo)準(zhǔn)。因為標(biāo)準(zhǔn)是話語權(quán)。“我們不僅要輸出自己的核電，還要按照我們自己的標(biāo)準(zhǔn)去建設(shè)，這樣才能不受制于人。”邢繼說。
2020年11月10日，中核集團宣布，“華龍一號”已形成一套完整的、自主的型號標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋核電廠前期、設(shè)計、設(shè)備、建設(shè)、調(diào)試等全生命周期，可有力支撐“華龍一號”批量化建設(shè)和“走出去”。
2021年1月30日，站在“華龍一號”全球首堆投入商業(yè)運行的時點上，中核集團董事長余劍鋒對未來的發(fā)展進行了展望。余劍鋒表示，中核集團將始終牢記強核強國的歷史使命，推動核工業(yè)安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，加快“華龍一號”批量化建設(shè)和后續(xù)機型研發(fā)，著力推動自主三代核電“華龍一號”“走出去”，為實現(xiàn)科技自立自強，加快建設(shè)核工業(yè)強國作出新的更大貢獻。（《國資報告》記者 原詩萌）
【責(zé)任編輯：趙藝涵】
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