編者按

　　作為我國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，先進(jìn)自主核電技術(shù)既是國家實力的體現(xiàn)，又是能源安全和結(jié)構(gòu)調(diào)整、推進(jìn)社會綠色發(fā)展的保障，更是核能行業(yè)、企業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的核心動力。

　　隨著全球核能產(chǎn)業(yè)復(fù)興，小型堆異軍突起，正在開創(chuàng)核能利用的新時代。加快自主知識產(chǎn)權(quán)小型堆研發(fā)并推動其產(chǎn)業(yè)化，是中國核電界正著手進(jìn)行的創(chuàng)新課題。 以建設(shè)創(chuàng)新型企業(yè)為目標(biāo)，中廣核在2014年的科技大會上提出了全面實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的科技創(chuàng)新“引領(lǐng)計劃”，中廣核研究院以集團(tuán)未來科研先鋒和精銳“部隊”的角色，承擔(dān)了“引領(lǐng)計劃”四大戰(zhàn)略專項之一——小型堆的研發(fā)和市場推廣工作。

　　如何以小型堆研發(fā)為引領(lǐng)推動核電技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新？如何依靠創(chuàng)新打造出企業(yè)核心競爭力并實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，促進(jìn)核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁上新臺階？帶著這些問題，記者近日走進(jìn)中廣核研究院，就其在自主ACPR系列小型堆領(lǐng)域，尤其是海上核動力平臺方面所開展的研發(fā)、創(chuàng)新工作及成果進(jìn)行了深入采訪。

　　深圳，改革前沿、創(chuàng)新熱土，亦是中國核電的開篇、發(fā)展和創(chuàng)新之地。

　　福田區(qū)上步中路的深圳科技大廈17層，是中廣核研究院小型堆研發(fā)項目部辦公地。10月11日下午1點半，1710會議室一場從早9點開始的會議剛剛結(jié)束。緊張的工作間隙，項目部主任芮?和副主任劉永康接受了《中國能源報》記者采訪。 

　　“從2013年組建開始，小型堆研發(fā)項目部便承擔(dān)起中廣核小型堆型號研發(fā)的任務(wù)。過去三年多，通過組織和協(xié)調(diào)，項目部不僅集中了中廣核內(nèi)外部優(yōu)勢技術(shù)資源，而且發(fā)揮了中廣核在核電研發(fā)、設(shè)計等方面積累的豐富經(jīng)驗，并結(jié)合國內(nèi)外一流設(shè)備研制、海洋設(shè)施技術(shù)單位資源，以市場為驅(qū)動，以工程項目為目標(biāo)，保障和加快了小型堆技術(shù)研發(fā)工作。”芮?告訴記者。

　　據(jù)劉永康介紹，從起初的幾個人、幾十人，到目前幾百人的研發(fā)團(tuán)隊，從概念研究、方案設(shè)計完成，到獲得國家發(fā)改委批復(fù)并賦予批量化發(fā)展重任，項目部通過探索、開拓和堅持創(chuàng)新，使中廣核小型堆在國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域獲得了重要地位。

　　據(jù)了解，目前小型堆研發(fā)項目部的核心任務(wù)，是承擔(dān)中廣核自主知識產(chǎn)權(quán)ACPR系列小型堆型號研發(fā)，包括海上緊湊型小型堆ACPR50S和陸上一體化模塊化小型堆ACPR100。而經(jīng)過充分的市場需求調(diào)研和經(jīng)濟(jì)性分析，短期內(nèi)將主推已獲國家發(fā)改委批復(fù)立項，并列入《國家能源科技創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》的海洋核動力平臺ACPR50S。項目部目前已經(jīng)啟動其初步設(shè)計和設(shè)備采購，爭取“十三五”末，即2020年建成首個實驗平臺，并實現(xiàn)下水和首次臨界。 

　　厚積薄發(fā)，十年一劍。

　　依托小型堆堆型研發(fā)，中廣核研究院立足國家和企業(yè)戰(zhàn)略，搶抓機(jī)遇，以在堆芯設(shè)計與安全分析、燃料研發(fā)、試驗驗證及項目管理等關(guān)鍵領(lǐng)域的多年積累為基礎(chǔ)，拓開了一條以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級之路。

　　選擇小型堆：落實戰(zhàn)略搶抓機(jī)遇

　　中廣核選擇小型堆，是對世界核電產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)研判后作出的戰(zhàn)略性布局；中廣核研究院研發(fā)小型堆，尤其是ACPR50S，是其打造“國內(nèi)一流，具有國際水平核電技術(shù)研究院”的難得機(jī)遇和現(xiàn)實訴求。

　　在核能應(yīng)用市場多元化背景下，小型堆被認(rèn)為是整個核能工業(yè)的轉(zhuǎn)折點、游戲規(guī)則的改變者。占得小型堆技術(shù)制高點，意味著贏得世界核能界的關(guān)鍵話語權(quán)。

　　本世紀(jì)初期，包括國際原子能機(jī)構(gòu)在內(nèi)的諸多國際權(quán)威研究機(jī)構(gòu)和組織開始高度關(guān)注小型堆發(fā)展。曾有預(yù)測顯示，2030年全球模塊式小型堆的裝機(jī)容量將達(dá)到1820萬千瓦；2050年，模塊式小型堆可占經(jīng)合組織與非經(jīng)合組織國家核電裝機(jī)容量的25%。目前，俄羅斯、美國、韓國及日本等國均開發(fā)了多個小型堆設(shè)計方案，用于取代老舊燃煤、燃油電廠，用于發(fā)電、居民供熱、工業(yè)供汽等領(lǐng)域。

　　在中國，政府和核能界也認(rèn)識到小型堆的重要性，模塊式小型堆示范工程“十二五”期間就列入了國家能源發(fā)展及能源科技規(guī)劃。同時，隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實施，核能為海洋資源開發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供清潔可靠能源的優(yōu)勢已經(jīng)開始顯現(xiàn)。核能可為海上油氣田開采、海島綜合開發(fā)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等供電供熱，還可滿足海水淡化、核能制冷等多元化需求。此外，浮動式核電站因采用成熟可靠技術(shù)以及高效、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點，已經(jīng)成為最理想的海上能源替代方式。

　　中廣核選擇小型堆，是對世界核電產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)研判后作出的戰(zhàn)略性布局；中廣核研究院研發(fā)小型堆，尤其是ACPR50S，是其打造“國內(nèi)一流，具有國際水平核電技術(shù)研究院”的現(xiàn)實訴求和難得機(jī)遇。

　　資料顯示，ACPR系列小型堆設(shè)計中采用先進(jìn)安全設(shè)計理念，可運(yùn)用于小型電網(wǎng)、熱電水汽綜合能源供給及海上能源。其中，ACPR50S采用長周期換料方案，較海上常規(guī)能源具有競爭力，可作為海洋開發(fā)綜合能源補(bǔ)給站，滿足海上電熱水汽能源需求；陸上堆實現(xiàn)功能定制，可用于中小型電網(wǎng)、工業(yè)供熱供電，城市供暖等分布能源利用。

　　“從大亞灣起步，至嶺澳二期實現(xiàn)四個自主，再到打造出‘華龍一號’，中廣核在堆型研發(fā)上積累了豐富的經(jīng)驗，具備了一定實力。”芮?告訴記者，“目前我們著手進(jìn)行的ACPR50S，充分借鑒了大型陸上核電站的研發(fā)設(shè)計經(jīng)驗，但海上小型堆擁有更豐富的技術(shù)內(nèi)涵，與大型核電站相比涉及的專業(yè)領(lǐng)域更多、技術(shù)更為復(fù)雜，要求更多協(xié)作和創(chuàng)新，藉此將實現(xiàn)中廣核研究院整體研發(fā)能力提升。” 

　　劉永康也表示，當(dāng)前小型堆研發(fā)雖然面臨很多新挑戰(zhàn)，但正是這些挑戰(zhàn)，為中廣核研究院的核心能力增強(qiáng)帶來了動力。“幾年前連試驗臺架都沒有，更不用說堆型研發(fā)。不去迎接挑戰(zhàn)，就永遠(yuǎn)不可能具備能力，做小型堆是我們的必然選擇。”

　　堆芯設(shè)計：多項創(chuàng)新保“心臟”更安全

　　反應(yīng)堆工程設(shè)計與安全研究中心攻克了研發(fā)和設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難題，填補(bǔ)了中廣核多個技術(shù)領(lǐng)域的空白，為ACPR50S動力實驗堆開發(fā)目標(biāo)實現(xiàn)奠定了堅實基礎(chǔ)，且動力實驗堆高于三代商用堆安全水平。

　　在中廣核研究院，反應(yīng)堆工程設(shè)計與安全研究中心（以下簡稱“堆工中心”）負(fù)責(zé)小型堆的堆芯設(shè)計與安全分析工作。該中心副主任盧向暉告訴記者，堆工設(shè)計既是整個反應(yīng)堆設(shè)計的核心，也是型號研發(fā)的龍頭。

　　2007年，堆工中心自主承擔(dān)了國內(nèi)首創(chuàng)的新建核電項目18個月?lián)Q料設(shè)計，并于2013年成功實施。2008年，基本“拿下”整個中廣核運(yùn)行核電站的堆芯換料工作，標(biāo)志著其完全具備了自主換料設(shè)計能力。從2010年起，作為核心專業(yè)參與了中廣核集團(tuán)ACPR1000+和華龍一號核電型號的自主研發(fā)，承擔(dān)了最為關(guān)鍵的堆芯設(shè)計與安全分析工作，對該核電型號的成功研發(fā)起到了重要作用。

　　正是基于這樣的經(jīng)驗和能力基礎(chǔ)，堆工中心在小型堆堆芯設(shè)計和安全分析領(lǐng)域?qū)嵤┒囗梽?chuàng)新才有了技術(shù)儲備和“底氣”。

　　“小型堆雖小，但受限于空間，且面對復(fù)雜海洋環(huán)境，對安全要求、設(shè)備研發(fā)及堆芯布置要求更高。”盧向暉告訴記者，“在ACPR50S動力實驗堆研發(fā)設(shè)計過程中，堆工中心堆芯設(shè)計與安全分析研究團(tuán)隊開展了大量計算分析和論證，攻克了研發(fā)和設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難題，填補(bǔ)了中廣核內(nèi)部多個技術(shù)領(lǐng)域的空白，為ACPR50S動力實驗堆開發(fā)目標(biāo)實現(xiàn)奠定了堅實基礎(chǔ)。”

　　盧向暉所指的空白填補(bǔ)，正是在無可溶硼堆芯設(shè)計、“能動加可靠非能動”安全系統(tǒng)配置，以及海洋條件對反應(yīng)堆安全影響分析方面實施的創(chuàng)新。

　　據(jù)了解，無可溶硼堆芯設(shè)計是動力試驗堆實現(xiàn)系統(tǒng)和布置設(shè)計簡化、降低放射性廢物量、消除硼稀釋風(fēng)險的核心環(huán)節(jié)，也是滿足實驗堆建造及運(yùn)行要求的最關(guān)鍵技術(shù)。中廣核此前并無相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，而且受到總體參數(shù)基本固化、燃料和控制棒組件選型確定、控制棒無法全堆布置等客觀因素限制。研發(fā)團(tuán)隊攻克了無可溶硼堆芯在反應(yīng)性控制、次臨界度要求、運(yùn)行控制限制等一系列技術(shù)難題，開創(chuàng)性地提出一套無可溶硼堆芯設(shè)計和評價方法，實現(xiàn)了動力實驗堆無可溶硼堆芯設(shè)計。

　　而針對ACPR50S實驗堆安全系統(tǒng)功能配置難度極大的問題，研究團(tuán)隊又創(chuàng)新性提出了“能動加可靠非能動”安全理念，為滿足安全設(shè)計要求進(jìn)行了包括消除大破口后的安全系統(tǒng)簡化設(shè)計、減小海洋條件影響的非能動安全系統(tǒng)等在內(nèi)的多項技術(shù)創(chuàng)新。

　　“通過大量驗證和優(yōu)化迭代分析計算，我們確定了實驗堆安全系統(tǒng)配置，保障了ACPR50S動力實驗堆高于三代商用堆的安全水平，實現(xiàn)了高安全性與系統(tǒng)簡化的設(shè)計平衡。ACPR50S堆熔概率(CDF)<1.0×10-7/堆·年，早期釋放概率(LERF) <1.0×10-8/堆·年。”盧向暉說。

　　此外，研究團(tuán)隊深入調(diào)研海洋條件對熱工水力及反應(yīng)堆設(shè)計的影響，參考國際上其他海上堆的經(jīng)驗，確定了滿足工程設(shè)計及安全審評的技術(shù)路線：“設(shè)計保留余量—耦合海洋條件程序分析評價—設(shè)計和程序?qū)嶒烌炞C”。建立了海洋運(yùn)動條件的數(shù)學(xué)模型，初步開發(fā)出耦合海洋條件的子通道和熱工水力分析程序，完成了堆芯DNBR、自然循環(huán)和事故工況的初步評價，建立起海洋條件影響分析的核心技術(shù)能力，為ACPR50S初步設(shè)計完成打下基礎(chǔ)。

　　燃料研發(fā)：自主組件保障小堆“糧食”

　　核燃料研發(fā)設(shè)計中心搭建了較為完整的核燃料元件設(shè)計、分析、實驗、檢測、修復(fù)平臺和研發(fā)體系，并研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的12英尺核燃料元件STEP-12。在ACPR50S總體研發(fā)要求下，為適應(yīng)海洋上特殊的使用環(huán)境，充分借鑒、共享STEP-12已有的成熟技術(shù)成果，形成了截短型的STEP-S核燃料元件。

　　核燃料元件是核電站的“糧食”。在核反應(yīng)堆及核能技術(shù)領(lǐng)域中，核燃料元件是核電自主化的關(guān)鍵組成部分。“十一五”之前，我國已多次成功引進(jìn)國外核燃料元件制造技術(shù)并形成規(guī)?；a(chǎn)，滿足了國內(nèi)商業(yè)核電站燃料需求。2006年及其后開工建設(shè)的核電站，通過擴(kuò)大產(chǎn)能來滿足供應(yīng)。由此，中國至今沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的、高性能的商業(yè)核燃料元件。然而，要想核電“走出去”和建設(shè)海上核動力設(shè)施，沒有自主品牌的核燃料元件，自主化堆型研發(fā)無從談起。而且，國際上也沒有自主開發(fā)反應(yīng)堆型號卻無核燃料元件配套研發(fā)的先例。因此，核燃料元件自主研發(fā)是解決自主化堆型研發(fā)的“卡脖子”問題。

　　2009年，中廣核成立集團(tuán)核燃料研發(fā)設(shè)計中心（以下簡稱“燃料中心”），并于2010年獲得國家能源局授牌，正式成為國家能源先進(jìn)核燃料元件研發(fā)（實驗）中心。

　　跟核燃料打了20多年交道的燃料中心主任傅先剛告訴記者，中心成立七年來，依托中廣核和中廣核研究院已有的技術(shù)資源，堅持“消化吸收與自主創(chuàng)新并舉”策略，開展核燃料元件的設(shè)計方法論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計研究、性能驗證試驗研究、性能分析平臺建設(shè)、檢測及修復(fù)平臺建設(shè)及核燃料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化研究，已經(jīng)研制出自主品牌的12英尺核燃料元件STEP-12。“已完成試驗的數(shù)據(jù)表明，STEP-12核燃料元件的綜合性能與目前批量采用的國外成熟核燃料元件相當(dāng)。”

　　“從無到有推出STEP-12核燃料元件，并在此過程中搭建起較為完整的核燃料元件設(shè)計、分析、實驗、檢測、修復(fù)平臺和研發(fā)體系，證明中廣核真正具備了自主品牌核燃料元件研發(fā)能力，為打破國外技術(shù)壟斷，最終實現(xiàn)我國核電完全自主化奠定了堅實基礎(chǔ)。” 傅先剛說。

　　據(jù)了解，在ACPR50S的總體研發(fā)要求下，為適用于海洋上的特殊使用環(huán)境，燃料中心在研發(fā)STEP-12的基礎(chǔ)上，充分借鑒、共享已有的成熟技術(shù)成果，形成了截短型的8英尺核燃料元件STEP-S。

　　傅先剛解釋，STEP-S核燃料元件研發(fā)最關(guān)鍵的是核燃料元件要在海洋的傾斜、搖擺、垂蕩、撞擊等特殊工況下，都能實現(xiàn)其功能。為此，研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)過大量的調(diào)研與探索，克服了一系列技術(shù)難關(guān)，完成了STEP-S核燃料元件的方案設(shè)計和初步設(shè)計。“目前正處于詳細(xì)設(shè)計階段：基于STEP-12的設(shè)計成果，優(yōu)化了STEP-S的管座設(shè)計及格架布局；結(jié)合STEP-S的設(shè)計優(yōu)化特征以及ACPR50S的海洋工況，策劃開展STEP-S的堆外性能試驗；同時，對STEP-S初步設(shè)計結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)、充分且全面的性能評價。”

　　在世界各國紛紛涉足海上小型堆開發(fā)的背景下，核燃料元件研發(fā)是重中之重。傅先剛稱，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、滿足海洋使用條件的核燃料元件對中廣核海上小型堆的研發(fā)具有重要意義，將為打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)我國核電的自主化健康發(fā)展以及“走出去”戰(zhàn)略目標(biāo)奠定堅實的基礎(chǔ)。

　　實驗驗證：能保小型堆設(shè)計安全可靠

　　在開展小型堆研發(fā)設(shè)計過程中，需要針對安全系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計等開展一系列的輸入性試驗和驗證性試驗，以確保設(shè)計的合理性、先進(jìn)性、高可靠性和安全性。中廣核小型堆工程實驗驗證目前已基本建成體系，具備反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計實驗，安全系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計實驗等研究能力。

　　作為中廣核先進(jìn)核能研發(fā)體系中最年輕的“成員”，2012年成立的中廣核研究院反應(yīng)堆工程實驗研究中心（以下簡稱“實驗中心”），不僅是中廣核自主核電站、核燃料開發(fā)設(shè)計和核安全分析的實驗研究平臺，也是開展核電研發(fā)技術(shù)合作的開放性平臺和我國核電工程實驗研究領(lǐng)域高級人才的培養(yǎng)和發(fā)展平臺，更是國家自主核電站開發(fā)的重要實驗研究平臺之一。

　　實驗中心總工程師盧冬華告訴記者，中廣核已經(jīng)在深圳市龍崗區(qū)建成“綜合熱工水力與安全實驗室”，擁有了針對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計、安全系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計、燃料組件研發(fā)、系統(tǒng)布置設(shè)計等各個方面的一系列試驗裝置。“以這些裝置為依托，中廣核先后實施了針對ACPR1000+，‘華龍一號’等自主知識產(chǎn)權(quán)反應(yīng)堆的實驗研究工作。”

　　對小型堆研發(fā)而言，實驗中心猶如“考場”，通過對其安全系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計等開展一系列的輸入性試驗和驗證性試驗，可以確保堆型設(shè)計的合理性、先進(jìn)性、高可靠性和安全性。尤其，ACPR50S是具有海上應(yīng)用前景的小型堆，具有高度的安全性，開展相關(guān)的實驗研究工作，是保證工程研發(fā)和設(shè)計的重要手段。

　　盧冬華向記者提供的一份實驗中心能力建設(shè)材料顯示，在小型堆結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗研究方面，目前正在整體水力學(xué)實驗裝置、大型水力學(xué)實驗裝置上開展相關(guān)的整體水力學(xué)試驗、堆內(nèi)交混特性試驗、堆內(nèi)構(gòu)件旁漏流特性試驗等。

　　在關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計實驗研究方面，目前主要針對控制棒驅(qū)動線、蒸汽發(fā)生器、主泵等關(guān)鍵設(shè)備開展工程設(shè)計相關(guān)的實驗，如：針對蒸汽發(fā)生器正在開展蒸汽發(fā)生器流動傳熱、流量分配、流致振動、化學(xué)腐蝕等方面的實驗；針對控制棒驅(qū)動線先后需要開展海洋條件下控制棒驅(qū)動線冷態(tài)落棒性能試驗、熱態(tài)考驗及抗震實驗等。

　　而在安全系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計實驗研究方面，實驗中心主要針對二次側(cè)余熱排除系統(tǒng)、安全殼非能動熱量排除系統(tǒng)、安注系統(tǒng)及設(shè)備等安全設(shè)施設(shè)計開展相關(guān)實驗；在燃料組件研發(fā)方面，主要針對燃料組件子通道流動傳熱、燃料組件部件水力學(xué)性能、流致振動和磨蝕、燃料組件相關(guān)的力學(xué)性能等各方面開展一系列實驗。

　　“目前，我們已經(jīng)收獲了蒸汽發(fā)生器流動傳熱試驗、蒸汽發(fā)生器流量分配特性實驗、非能動安全殼原理性試驗、抑壓水池原理性實驗等多項研究成果。同時，開展了整體性能實驗、安全殼實驗、抑壓水池工程實驗、海洋條件熱工水力實驗、控制棒驅(qū)動線海洋條件實驗、整體水力學(xué)及堆內(nèi)構(gòu)件流致振動等數(shù)十項大型工程實驗工作。”盧冬華介紹，“從目前的能力講，中廣核研究院小型堆工程實驗驗證已基本建成體系，為小型堆等新堆型研發(fā)提供了有力保障。”