2011年3月11日，日本福島核嚴(yán)重事故的發(fā)生，無異于給核電從業(yè)者一記當(dāng)頭棒喝，讓全世界的核安全工作者的重心再次聚焦到提升核電嚴(yán)重事故的預(yù)防與緩解中。彼時(shí)，正在醞釀中的“華龍一號(hào)”百萬千瓦級(jí)核電機(jī)型，對(duì)安全性能的要求再次提升，嚴(yán)重事故的應(yīng)對(duì)成為重中之重。

為了實(shí)現(xiàn)史上“最嚴(yán)苛”的安全目標(biāo)，“華龍一號(hào)”在嚴(yán)重事故應(yīng)對(duì)上做了大量的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，這其中堆芯熔融物堆內(nèi)滯留成為嚴(yán)重事故兜底的最終方案。熔融物堆內(nèi)滯留（  In-Vessel Retention ，IVR  ）是通過壓力容器壁面?zhèn)鳠釒ё叨研居酂?，將堆芯熔融物滯留于下封頭內(nèi)，大幅降低大量放射性釋放的嚴(yán)重事故專有措施，也是應(yīng)對(duì)類似日本福島等核事故的關(guān)鍵措施之一。

IVR策略研究與驗(yàn)證屬于第三代核電技術(shù)的“新生事物”，涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、熱工安全分析、力學(xué)分析、程序開發(fā)、熱工試驗(yàn)等專業(yè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要多學(xué)科、多物理過程交叉耦合，在彼時(shí)面臨著技術(shù)儲(chǔ)備弱、研發(fā)難度大、分析工具缺的困難局面。為了攻克難關(guān)，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院以熱工水力與安全分析專業(yè)為主體，自2011年組建了熱工安全、結(jié)構(gòu)設(shè)備、力學(xué)、試驗(yàn)等多專業(yè)協(xié)作的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，開始了長達(dá)7年的艱苦研發(fā)歷程。

“華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)初期，研發(fā)團(tuán)隊(duì)充分研究國際已有的IVR理論，提出了自然循環(huán)不穩(wěn)定、循環(huán)流量是否能夠成功實(shí)現(xiàn)等諸多疑問，以及IVR措施關(guān)鍵問題中針對(duì)臨界熱流密度自然循環(huán)試驗(yàn)的可實(shí)現(xiàn)性和可測量性等諸多困難，核動(dòng)力院劉昌文總師與院內(nèi)專家討論后提出：“我們可以借鑒別人的理念，但不應(yīng)全單照搬，要在吸收他人理念的基礎(chǔ)上要有突破?！痹谶@樣的理念指導(dǎo)下，核動(dòng)力院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)深入思考和論證，提出獨(dú)有的“能動(dòng)+非能動(dòng)”設(shè)計(jì)方案，一方面在能動(dòng)泵的保證下實(shí)現(xiàn)IVR措施的高可靠性，另一方面采用非能動(dòng)注入的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)類似日本“福島”等完全失電核事故的應(yīng)對(duì)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)勇于打破國際主流設(shè)計(jì)思想的束縛，最終創(chuàng)造性地研發(fā)了獨(dú)特的IVR設(shè)計(jì)方案，首次采用直接注入保溫層、早期高過冷度水注入等創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了能動(dòng)系列5分鐘內(nèi)快速淹沒、非能動(dòng)系列持續(xù)冷卻72小時(shí)。該系統(tǒng)的應(yīng)用使大量放射性釋放概率下降約6倍，顯著提升了“華龍一號(hào)”嚴(yán)重事故緩解能力。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)合影

堆腔注水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)需要考慮堆腔結(jié)構(gòu)、保溫層結(jié)構(gòu)、冷卻水源，還要疊加考慮提高壓力容器下封頭外壁面的臨界熱流密度，是一個(gè)反復(fù)耦合迭代的復(fù)雜問題。設(shè)計(jì)伊始設(shè)定了能動(dòng)系列從內(nèi)置換料水箱直接取水和再循環(huán)的設(shè)計(jì)方案，但隨著設(shè)計(jì)的深入以及和安審部門的充分交流，發(fā)現(xiàn)該方案存在不足，即在LOCA等事故下水源的水溫會(huì)逐步上升，系統(tǒng)的安全裕量會(huì)下降。

當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)已經(jīng)初步固化，保溫層等即將投入生產(chǎn)，改變設(shè)計(jì)將面臨重新論證的巨大壓力和多項(xiàng)采購變更的困難，但是劉昌文總師說：“IVR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是我們自主創(chuàng)新的重要成果。如果現(xiàn)在的方案不能給大家信心，那么‘華龍一號(hào)’這張名片我們就亮不出去?！眳乔逯魅螏ьI(lǐng)的熱工安全分析團(tuán)隊(duì)高度贊同：“雖然現(xiàn)有安全分析顯示我們是能滿足設(shè)計(jì)要求，但是只有通過改進(jìn)設(shè)計(jì)來提升安全裕量，才能增加我們的底氣，提升各方的信心。作為嚴(yán)重事故的‘兜底’措施，我們要拿出更有說服力的成果?！彼麄冎匦抡{(diào)整思路，提出多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，充分研討和迭代論證，最終確定了先從消防水池取水保證早期關(guān)鍵時(shí)段水源的過冷度，再從內(nèi)置換料水箱取水，實(shí)現(xiàn)長期再循環(huán)冷卻的方案變更。

這樣的優(yōu)化方案使系統(tǒng)在事故緩解的關(guān)鍵時(shí)間段內(nèi)保持充分穩(wěn)定的安全裕量。熱工安全分析專業(yè)提出的優(yōu)化方案得到了試驗(yàn)等其它技術(shù)專業(yè)的積極支持，各專業(yè)各就各位，整個(gè)團(tuán)隊(duì)擰成一股繩，勁往一處使，最終克服技術(shù)、進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)等諸多困難，完成優(yōu)化方案所需要的一系列工作。

IVR措施的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要證明在嚴(yán)重事故中由熔融池傳熱產(chǎn)生的壁面熱流密度小于壓力容器外部冷卻的臨界熱流密度（ CHF ）。壓力容器外表面臨界熱流密度是證明IVR措施有效性的關(guān)鍵準(zhǔn)則，其獲取的重要方式是通過試驗(yàn)。CHF試驗(yàn)中的高溫狀態(tài)容易導(dǎo)致測溫裝置損壞，從而導(dǎo)致試驗(yàn)本體無法繼續(xù)使用。這一問題限制了試驗(yàn)的次數(shù)和重復(fù)率，因此第一期試驗(yàn)采用了針對(duì)典型工況開展的方案。在強(qiáng)迫循環(huán)典型工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得后，由于與國際上大部分自然循環(huán)工況差異較大，受到業(yè)內(nèi)同行部分專家的質(zhì)疑。此時(shí)，負(fù)責(zé)IVR系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的核心骨干朱大歡并未氣餒，他在安審面臨巨大壓力時(shí)積極探索問題根源，深入研究國際上已有工作的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)CHF影響規(guī)律方面的研究成果，發(fā)現(xiàn)不同背壓及流動(dòng)參數(shù)下的CHF特性差異顯著，為解決問題找到了關(guān)鍵突破口。在此基礎(chǔ)上，由多專業(yè)組成的CHF試驗(yàn)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展試驗(yàn)工況的深入研討，針對(duì)每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的敏感點(diǎn)進(jìn)行分析、對(duì)比、篩查，最終提出了針對(duì)性新增關(guān)鍵參數(shù)敏感性試驗(yàn)工況的詳細(xì)解決方案。通過兩期臨界熱流密度試驗(yàn)，全面揭示了系統(tǒng)壓力、入口過冷度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)臨界熱流密度的影響機(jī)制，清晰徹底地回答了業(yè)內(nèi)同行早期關(guān)心的問題，為驗(yàn)證“華龍一號(hào)”堆腔注水冷卻系統(tǒng)IVR有效性提供了關(guān)鍵的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

“華龍一號(hào)”IVR策略研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，任務(wù)量大、分工復(fù)雜且技術(shù)難度高，凝聚了研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的心血和智慧。項(xiàng)目從初步科研到最終工程實(shí)施歷經(jīng)7年，前后投入10余個(gè)專業(yè)，共形成專項(xiàng)技術(shù)報(bào)告600余篇，獲得軟件著作權(quán)1項(xiàng)、國家發(fā)明專利9項(xiàng)，發(fā)表SCI、EI期刊論文約20篇，取得的成果擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本項(xiàng)目在下封頭CHF關(guān)鍵影響機(jī)制、壓力容器失效模式等基礎(chǔ)研究方面取得顯著突破，提出的系統(tǒng)方案、建立的試驗(yàn)裝置、掌握的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為國際上熔融物堆內(nèi)滯留技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)了中國獨(dú)有的設(shè)計(jì)方案和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為我國核動(dòng)力核安全技術(shù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著項(xiàng)目的完成，在熱工水力試驗(yàn)、安全分析、力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等專業(yè)培養(yǎng)了多名年輕技術(shù)專家，為我國核電技術(shù)人才隊(duì)伍的壯大貢獻(xiàn)重要力量。

項(xiàng)目研究成果于2020年獲得中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。項(xiàng)目研究成果應(yīng)用在“華龍一號(hào)”等核電機(jī)組，顯著提高了嚴(yán)重事故對(duì)抗能力，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)重事故的兜底，增強(qiáng)了品牌技術(shù)競爭力，為實(shí)現(xiàn)“核電走出去”戰(zhàn)略提供了重要技術(shù)支撐。

IVR策略研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員們七年磨一劍，長期堅(jiān)守崗位，腳踏實(shí)地，用迎難而上的勇氣和勇于創(chuàng)新的志氣，筑成一道實(shí)現(xiàn)“華龍一號(hào)”嚴(yán)重事故兜底的安全屏障。