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中国实验快堆建成纪实
来源:中国原子能科学研究院  日期:2010-07-22 


跨入核能新时代的丰碑

——中国实验快堆建成纪实

  “快堆可以将铀资源的利用率从压水堆的约1%提高到60%~70%,同时可以将压水堆乏燃料中存在的长寿命放射性废物当作核燃料烧掉。”怀揣着这样的梦想,有一群人开始了执着的追求,他们前赴后继、顽强拼搏、百折不挠,坚守了近半个世纪,终于谱写出了一曲荡气回肠的奋进之歌。

    7月21日9时50分,中国实验快堆主控室内, “中国实验快堆首次实现临界”,中核集团副总经理杨长利话音刚落,全场掌声雷动,一片欢腾。顷刻间,那些越隘闯关、日夜鏖战的艰辛都化为沉甸甸的喜悦。

    历经坎坷曲折 迎来柳暗花明

    “当快堆发展陷入困境,看不见任何希望时,‘863’计划的出现,扭转了这一切。”

  上世纪60年代中期,我国的快堆研究开始起步,主要在物理、热工、结构材料和钠工艺等方面开展了一些基础研究,并建成了一批小型实验装置。其中,最具有代表性的研究成果是1969年由周恩来总理特批50公斤高浓铀建成的“东风-6号”零功率实验装置,实现了我国快堆技术发展“零”的突破。

  1971年底,由于国家需要,快堆技术人员带着让他们备感荣耀的“东风-6号”,拖家带口搬迁到了“三线”——四川夹江的核动力工程研究基地。

  此时,正值“文革”期间,国家经济困难,没有足够的科研经费,加上发展方向和技术路线不明确,快堆发展一时陷入困境。

  上世纪80年代,改革开放的春风给我国的高科技发展带来了勃勃生机。1986年3月,邓小平同志对王大珩、王淦昌、杨家墀、陈芳允等四位科学家关于我国应跟踪世界高技术前沿的建议信函作出了重要批示,从而催生了“863”高技术研究发展计划。

  “当快堆发展陷入困境,看不见任何希望时,‘863’计划的出现,扭转了这一切。”中国实验快堆总工程师徐钅米说。

  当时,要在快中子增殖堆、高温气冷堆和聚变-裂变混合堆三种堆型中选取一种能大幅度提高核燃料利用率、安全性、经济性好的堆型发展。经来自全国煤炭、石油、水力、核能、电力、矿产等各领域专家的充分论证,快堆脱颖而出,被列入“863”计划能源反应堆主题项目。此时,世界快堆发展处于低潮,在这样的背景下,要不要上快堆项目在国内是有争议的。但国家高瞻远瞩,果断决策,积极推进。

  紧接着,为了充分利用中国原子能科学研究院的综合研究能力和技术力量上的优势,有关部门决定重新调整组建快堆技术队伍。于是,16年前搬迁支援“三线”建设的快堆技术人员又回到了原子能院。

  1992年3月14日,国务院批准“863”计划能源技术领域的研究发展目标,建成一座热功率65兆瓦的中国实验快堆。

  机遇和挑战总是并存,由于快堆项目成本高,“863”项目资金有限,快堆从此又走上了长达三年的筹款之路。

  1995年,原国务院副总理邹家华委托国务委员兼国家科委主任宋健召开高层协调会,会上,宋健强调了我国发展快堆的重大战略意义,并指出:“快堆要马上立项,就是堆没有建成,为国家培养并保持500人的快堆技术队伍也是完全值得的……三天之内如果没有爆炸性意见,就上报国务院批准执行。”

  1995年12月,国家计委、国家科委联合批准中国实验快堆工程立项。从此,中国实验快堆结束了曾经曲折坎坷、步履维艰的日子,步入了一个崭新的发展阶段。

    开展对俄合作 实现事半功倍

    “站在巨人的肩膀上发展快堆,是一条很好的捷径。看来俄罗斯这个合作对象是找对了。”

    “863”计划的一个宗旨是:尽量利用国外成熟经验和先进技术,不搞重复性研究,以缩短研究周期和节省研制费用。设计建造中国实验快堆在我国尚属首次,缺乏经验,而俄罗斯在快堆技术方面力量雄厚,在快堆设计建造方面有着丰富的经验,因此中俄快堆技术合作无疑是一条有效途径。

  从1992年开始,中俄双方在中国实验快堆建造中进行了全面合作,内容包括概念设计咨询、技术设计、设计验证实验、设计技术咨询、燃料组件和大型设备制造、人员培训等。

  中俄双方共签订30多项快堆技术合作合同,俄方人员来华1000多人次,中方人员赴俄700多人次。俄罗斯先后有6位快堆专家获得中国国务院颁发的友谊奖。

  中俄双方在快堆技术方面的合作堪称是友好合作的典范,得到了两国政府的高度重视。2000年7月18日,中俄双方政府签署了关于在中国建造和运行快中子实验堆的合作协议,把中俄双方快堆技术合作推向了新的阶段。

  在中俄技术合作中,中方技术人员始终坚持以我为主,不仅引进国外的先进技术和成熟经验并进行全面的消化吸收,而且把自主创新作为贯穿设计、建造、安装、调试过程中的一条主线,取得了丰硕的成果。

  对此,原子能院堆工所原所长陈叔平回顾说:“站在巨人的肩膀上发展快堆,是一条很好的捷径。看来俄罗斯这个合作对象是找对了。”

    致力自主创新 突破技术“瓶颈”

    “快堆技术的困难,比热堆要复杂得多。中国实验快堆设计过程就是自主创新的过程。”

  中国实验快堆堆本体采用池式结构,首炉使用UO2燃料并向MOX燃料过渡,液态金属钠做冷却剂,热传输系统采用钠、钠、水三回路系统,并首次在一回路设置非能动事故余热排出系统。

这个技术方案符合世界快堆发展趋势,主要参数和系统设置接近商用快堆,使其具备了原型快堆的一些结构特点,其核安全特性要求已达到后来提出的第四代先进核能系统的水平。当然,设计高起点无疑增加了中国实验快堆设计和建造的难度,对技术研发和工程实施提出了挑战!

  要建造快堆装置,首先必须进行工程前期预研。早在“七五”之初,原子能院就组织多家高校和科研院所,开展了9个课题61个子课题的预先研究,突破了关键技术,开展了立项前的概念设计和可行性研究。

  立项之后,首要任务是工程设计,其中设计图纸是重中之重,建设队伍千军万马,没有施工图纸寸步难行。而由于经费有限,俄方只提供主要系统的技术设计,中方需要自己进行初步设计和施工设计,这对快堆年轻的主工艺设计队伍来说是一个严峻的考验。

  业绩往往是在困难中创造出来的。原子能院快堆设计队伍不负众望,坚持自主创新,以百折不挠的精神,出色完成了初步设计。紧接着马不停蹄与核工业第二研究设计院并肩战斗,开展施工图设计,共完成了总体设计、堆芯设计、结构设计、回路系统设计、仪控设计、安全设计、钠工艺设计、反应堆厂房结构设计等8个方面共170多个单项的设计工作,设计文件近5000册。

  在工程设计方面,中国实验快堆与俄罗斯快堆技术相比取得了多方面突破:在世界上首次采用了非能动事故余热排出系统,与世界已建快堆相比,是最安全的一座快堆;自主完成了反应堆换料系统设计,快堆的换料是在封闭系统中靠遥控自动完成的,经实验验证该设计是先进可靠的;采用了先进的数字化技术,自主完成计算机监控和主控室设计,大大简化了主控室操作,给操纵员应急操作带来了极大的方便……

  另外,在设计过程中,开发设计计算程序50多个,除完成物理、热工、屏蔽等设计计算外,还完成了近50项事故分析和堆本体结构抗震分析等,建立起适用于快堆的标准、规范,熟练掌握了二维、三维计算机辅助设计,培养锻炼了设计队伍,大大提高了设计能力,为我国快堆长远发展打下了坚实的技术基础。

    “快堆技术的困难,比热堆要复杂得多。中国实验快堆设计过程就是自主创新的过程。”参与快堆研制的老专家总结说。

    大力协同作战 共克建安难关

    “如同搭积木与盖房子的关系,最大的困难就是把一个实验变成一个工程。”

  2000年5月30日,核岛浇灌第一罐混凝土,奏响了建设中国首座实验快堆的铿锵乐章。

  业主、设计、建筑施工、设备安装和建设监理单位等多路大军,协同会战;

  国家科技部、科工局、环保部(核安全局)等主管部门现场检查协调,科技部委托专业机构进行现场监察,环保部的北方核与辐射安全监督站现场监造;

  中核集团专门成立了快堆领导小组进行全过程控制及协调。

  工程建设呈现出联合攻关、多方协调的动人景象,展现了一幅幅激动人心的画面。

  中国实验快堆建筑工程包括反应堆厂房、汽轮发电机厂房、升压开关站厂房、应急柴油机厂房、冷却塔、除盐水厂房、启动锅炉房、设备维修车间等共16个子项,总建筑面积约4.7万平方米。其中,核安全要求最高、施工难度最大的是反应堆厂房。

  传统的核反应堆厂房穹顶为半球形,而快堆厂房穹顶是由4个半圆形组成的“瓜皮帽形”,又因为穹顶标高57米,致使反应堆大厅有40米的净空高度。这两个因素增加了穹顶的设计施工难度。核工业二院和核工业二四建设公司团结协作,精心设计,严格施工,于2002年8月15日实现主厂房封顶。

  中国实验快堆有200多个系统,设备达7000多台套。除几个关键设备从国外进口外,其他全部由国内设计和制造,国产化率达到70%以上。

  堆容器是中国实验快堆的核心部件,高12米,直径8米,壁厚25毫米,重达1100多吨,而且堆内构件多达900多种,重700多吨。该容器属于大型薄壁容器,制造难度极大。难点在于焊接工艺、热处理工艺、加工精度和长途运输。稍有不慎,造成返工或报废,就可能带来重大损失。

  中国一重集团与原子能院一起联合设计并承担了这一大型非标设备的制造和安装,并实现了一次制造成功、一次运输成功、一次安装成功,创造了快堆大型核设备制造的高质量,也谱写了自主创新的新篇章,同时标志着我国在核设备设计制造能力方面取得了新的突破。从1998年开始联合设计到2008年安装完成,堆容器及旋塞的研制可谓“十年磨一剑”。

  除了大型设备以外,纯度要求很高的核级钠的生产必须提前做出安排。原子能院在基础研究中已经掌握了实验室规模核级钠的制备技术。但是要满足快堆335吨的供应量,必须建立工业规模的生产装置。

  原子能院果断决策,与内蒙古乌海兰太实业公司达成院企联合生产核级钠的协议,并且共同建造了核级钠厂。截止到2008年5月,300多吨核级钠全部运抵快堆现场。这不但实现了核级钠从实验室规模向工业规模的跨越,也推动了院企强强联合实现技术产业化的目标。

  在大型设备陆续运抵现场、现场安装条件逐步具备之后,中国实验快堆工程建设全面转入系统和设备安装调试阶段。

  除堆容器外,核岛其它系统和设备的安装由核工业二三建设公司承担。有着“铁军”之称的二三公司是核工业系统的招牌企业,具有很强的安装施工能力。但中国实验快堆与金属钠相关的系统和设备的安装,在二三公司的安装史上尚属第一次,也是一次严峻的挑战。

  自2001年签订核岛安装合同到2008年底,二三公司共安装系统180多个,工艺管道近9万米,电缆1100多公里和设备4100多套。面对钠冷快堆的高温、高洁净度、高密封性对系统和设备安装提出的严格要求,二三公司高标准严要求,采取了多项措施,确保了安装的质量,焊缝的一次合格率超过99%。

  从这些沉甸甸的数字中不难看出,对于以原子能院为主的设计单位和以二三公司为主的安装单位来说,这八年,不仅是一段充满艰辛和磨砺的时光,更是一个超越自我、不断创新的历程。“如同搭积木与盖房子的关系,最大的困难就是把一个实验变成一个工程。但是,通过几代快堆人不懈的努力,中国实验快堆终于建成了!”徐钅米感慨地说。

    融合智慧激情 创造调试奇迹

    “调试运行,我们白手起家。充分的准备,让我们赢得了时间。”

  2008年底,中国实验快堆进入了紧张的集中调试阶段,这是全面检验设计、设备制造和安装施工质量的关键环节。原子能院精心组织、科学管理,调试队员们全力以赴、日夜鏖战,用智慧和激情创造了零事故、联合调试工期最短的世界纪录!

  调试阶段包括系统升温之前的冷态调试和升温后的热态调试。由于钠的熔点为97.8摄氏度,为保证钠在液态下使用,堆系统必须加热到250摄氏度,在250摄氏度高温下的热态调试是对系统和设备整体性能的全面检验。特别是系统灌钠之后的热态调试,任务更加艰巨,因为钠有其特有的“脾气”,一旦没有按钠的特点行事,往往就会导致实验的失败。

  为了顺利完成调试阶段的任务,原子能院做了大量的准备工作。早在2001年,便开始调试和运行准备工作,其中包括主控室运行人员的培训。不但建立了调试阶段的组织体系和质量保证体系,制定了调试阶段的质保大纲和相关程序,还建立了岗位责任制和日协调、周协调的例会制度,用最先进的管理软件制定调试进度计划并进行动态管理与协调,以积极推进核安全文化建设和采取各项控制及保证措施,确保调试的“质量第一,安全第一”。

  原子能院以快堆工程部为主并联合院相关单位的技术力量,以设计人员参与调试并组织运行队伍提前介入调试,以最小的调试、运行人力投入和技术人员全方位参与设计、调试和运行的人才培养锻炼模式,完成了600多个调试文件和600多个运行规程的编写,调试试验项目达1000多项。

  尽管做了充分准备,但实际调试过程中还是遇到了许多始料未及的问题:加热风机故障、换料系统的调试、核测系统干扰等,整个调试的过程不亚于一场硝烟弥漫的“大会战”。但年轻的调试团队在神圣的使命面前,发扬“以身许国,敢为人先,严谨求实”的四○一精神,以坚强的毅力和无限的激情,过五关斩六将,经历了最刻骨铭心的一段时光。

  “对于中国实验快堆的调试运行,原子能院完全是白手起家。在那段时间里,为了完成调试阶段的任务,我们做了大量的准备工作。充分的准备,让我们赢得了时间,大大缩短了调试用时。”徐钅米说。

  2008年12月,在完成约152项单系统调试试验之后,综合冷态调试开始,目的是验证系统和设备的功能,获取初始运行数据,检验相关联系统的相容性,以及排除安全隐患等。

  2009年4月,热态调试全面展开,依次进行了一系列调试工作,包括用气体对堆本体加热,将钠灌入一、二回路,启动一、二回路钠循泵并达到稳定运行,使一、二回路之间达到热平衡状态,在热态下进行换料系统调试,将启动中子源装入堆芯,对核测系统调试,在启动中子源下整定保护系统参数等333项试验。截至2009年8月,反应堆装料前的调试任务全部圆满完成,并在9月取得了国家核安全局颁发的首次装料许可证。

  2010年7月21日9时50分,历史在这里驻足。中国四代核电——实验快堆终于实现临界。

  中国实验快堆的建成,在中国的快堆发展史上矗立起第一座里程碑,是我国核能技术跨越发展和核科技创新能力提升的重要标志,它让中国成为继美、法、俄、日等国之后,世界上少数几个拥有快堆技术的国家。

  巍巍燕山见证,中国的快堆从这里起步。中国实验快堆的建设者们将再次启航,在中国示范快堆电站的建设中,续写新的辉煌!(董建丽)

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