核搖籃孕育華龍雛形

王敬東 朱向軍

“中國核動力工程的搖籃！”這是1997年，時任國務(wù)院副總理的吳邦國為中國核動力研究設(shè)計院的題詞。作為“搖籃”，必有它的“神秘”和“高貴”之處。

龍潛深淵，必會翔飛于天。經(jīng)過數(shù)十年的奮斗，2014年，中國核電品牌——“華龍一號”，終于橫空出世！

“華龍一號”的命名，源于中國核工業(yè)集團有限公司2011年推出的“龍騰計劃”，即通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)我國核工業(yè)技術(shù)、裝備和整體能力的提升，到2020年使我國核能創(chuàng)新水平達到或超越世界水平。國家領(lǐng)導(dǎo)人說，中國核電是響當當?shù)摹皣颐??！叭A龍一號”的研發(fā)歷程漫長而曲折。

中核集團核動力院是我國集核反應(yīng)堆工程研究、設(shè)計、試驗、運行和小批量生產(chǎn)為一體的大型綜合性科研基地。自1965年建院以來，先后自行設(shè)計、建造了我國第一代核潛艇陸上模式堆、第一座高通量工程試驗堆、第一座脈沖反應(yīng)堆以及岷江堆和兩座零功率裝置等6座核設(shè)施，被譽為中國的“堆谷”。

在50多年的建設(shè)過程中，已經(jīng)形成包括核動力工程設(shè)計、核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備集成供應(yīng)、反應(yīng)堆運行和應(yīng)用研究、反應(yīng)堆工程試驗研究、核燃料和材料研究、同位素生產(chǎn)和核技術(shù)應(yīng)用研究等完整的科研生產(chǎn)體系，成為國家戰(zhàn)略高技術(shù)研究設(shè)計院。核電站核島的設(shè)計，一直是核動力院的強項。

來到核動力院的前身，四川夾江縣九O九基地總部，一幢青石灰瓦的四合院映入眼簾，這座奇特別致的口字形二層小樓，墻體全是從附近的青衣江撿來的鵝卵石形成的“石打壘”，似乎向來訪者訴說著往日創(chuàng)業(yè)的艱辛。彭士祿、趙仁愷、周永茂、王俊崇、孫玉發(fā)、周邦新6位院士圖文并茂的宣傳標牌在院中一字排開，這些核工業(yè)的院士似乎在靜靜地守護著他們曾經(jīng)的創(chuàng)業(yè)基地。

業(yè)內(nèi)人士熟知，核電站新堆型區(qū)別于老堆型的核心，即堆芯設(shè)計。此前，國內(nèi)在役和在建核電廠的堆芯燃料，由121個或157個燃料組件構(gòu)成。其不足之處在于：由于沒能較快實現(xiàn)電站的長周期換料的目標，電廠運行的可利用率沒有很好地提高，經(jīng)濟性還有進一步優(yōu)化的空間。

為突破西方157堆型限制，1997年，核動力院張森如團隊提出了177堆芯新概念，意在提高堆芯額定功率同時，降低平均線功率，既增加核電廠發(fā)電能力——反應(yīng)堆的發(fā)電能力不僅在同等條件下增高了5%以上，而且提高了核電運行的安全裕量。

核電功臣張森如，絕非徒有虛名。1965年，張森如從清華大學(xué)工程物理系反應(yīng)堆專業(yè)畢業(yè)后，先后在二機部二院、15所、715所和核動力院工作，擔任研究員高級工程師、博士生導(dǎo)師和清華大學(xué)的兼職教授;1993年榮獲政府特殊津貼，2003年當選為四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人，2004年被國防科工委、核工業(yè)集團公司授予“勞動模范”稱號。張森如似乎平生就與“核”有緣，他的夢想是能親自設(shè)計建造中國的核電站。他是科學(xué)的探險者，一個為實現(xiàn)夢想而拼搏的奮進者。

1987年12月，我國第一座自主設(shè)計、建造、運營、管理的大型商用核電站——秦山二期60萬千瓦核電站工程設(shè)計任務(wù)，采用招標競爭方式確定承包單位。核動力院以較大優(yōu)勢在反應(yīng)堆及主冷卻劑系統(tǒng)設(shè)計標段中中標。

但勝利的喜悅并沒帶來好運.初期的設(shè)計一度陷入窘境。由于核電站的設(shè)備實施多國購買，有關(guān)方不能提供設(shè)備參數(shù)，原本留給該院一年多的設(shè)計時間被耽誤;大量設(shè)備接口不規(guī)范且協(xié)調(diào)量大，計算工具少，加上參考大亞灣設(shè)計，三個環(huán)路改為兩個，大量參數(shù)要重新計算，導(dǎo)致設(shè)計圖紙遠遠跟不上現(xiàn)場施工進度。

緊急中，院領(lǐng)導(dǎo)決定，選拔一位既熟悉秦山二期核電設(shè)計情況，又具備較強管理能力的人擔任副院長兼第一項目負責人。張森如成了不二人選。張森如從1990年開始參加秦山二期的設(shè)計工作，曾擔任核動力院設(shè)計所6室副主任、主任、副所長，1994年擔任所長兼秦山二期核電第二項目負責人。在科研設(shè)計和管理上，以敢于創(chuàng)新、嚴于管理著稱。

走馬上任后，面對如山的重任，他心里沉甸甸的。對反應(yīng)堆及主冷卻劑系統(tǒng)和控制儀表系統(tǒng)的設(shè)計、科研和管理一番調(diào)查摸底后，他很快提出了6條硬措施。各項工作迅速走上程序化、正規(guī)化和標準化的道路，設(shè)計和科研工作緊張有序地進行著。

1號機組一回路水壓試驗順利完成;1號機組汽輪機首次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)獲得成功;1號機組首次達到臨界，硼濃度測試值達到國際先進水平;1號、2號機組成功并網(wǎng)發(fā)電等喜訊相繼傳來。

張森如臉上露出了欣慰的笑容。核動力院所承擔的反應(yīng)堆及主冷卻劑系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)的設(shè)計，沒有影響現(xiàn)場施工和調(diào)試運行的開展，展示了該院自主設(shè)計的能力和水平，為我國百萬千瓦級核電站的設(shè)計積累了經(jīng)驗。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是反應(yīng)堆唯一的驅(qū)動設(shè)備，是核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一。它直接控制著反應(yīng)堆的啟動、功率調(diào)節(jié)及安全停堆，對反應(yīng)堆的運行和安全起著至關(guān)重要的作用。

可樣機在上海試驗時突發(fā)意外，控制棒驅(qū)動機構(gòu)在提升和下降時打滑，不按預(yù)定的速度運行。經(jīng)仔細分析、核對，認定錯不在樣機，而是試驗裝置問題。張森如當即決定，利用核動力院的試驗裝置重新試驗，以證明樣機可靠并具有高性能。試驗很順利，掉棒試驗也做得相當漂亮。當跑到300萬步時，試驗成功，可以圓滿結(jié)束了。因為秦山二期的技術(shù)要求只有280萬步。

但此時，張森如卻做出了出入意料的決定：繼續(xù)試驗！參試的人員都愣住了，有的當即投了“反對票”。張森如是想一舉兩得。

試驗中，他發(fā)現(xiàn)整個試驗結(jié)果，波圖和受力情況超乎想象得好。憑著理論功底和實踐經(jīng)驗，他感覺還能跑相當長的時間，但究竟能跑多少，他心中沒底。而當時，核動力院正進行國家“九五”科技攻關(guān)項目——先進壓水堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)的科研。眼前的試驗如果繼續(xù)做下去，不僅可檢驗秦山樣機的性能，也能在節(jié)約經(jīng)費的前提下，完成本所的科研任務(wù)。

但這事要冒很大風險。一旦失敗，不僅完不成國家所托，還得重新做工程樣機，既延誤了工時，還會讓業(yè)主對控制棒驅(qū)動機構(gòu)的技術(shù)性能和質(zhì)量產(chǎn)生懷疑。

張森如調(diào)動人馬夜以繼日地繼續(xù)試驗，連春節(jié)也在試驗室里緊張忙碌。4個月后，數(shù)控裝置上的讀數(shù)已接近800萬步。聞訊趕來的國家核安全局和核電秦山聯(lián)營公司的專家們，也目睹了奇跡的發(fā)生。

“到了850萬步了，850萬步！”人們驚呼。

秦山二期在諸多方面是參考大亞灣核電站的，后者是依靠蒸汽鍋爐提供非核蒸汽。前者是否也要采用這種方式進行汽輪機沖轉(zhuǎn)試驗？當時頗有爭議。為此，提出了兩個方案：一是效仿大亞灣，在工地旁建一鍋爐;二是核動力院設(shè)計的一回路水的單位功率容積比大亞灣的大，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的容積也較大，有可能采用穩(wěn)壓器電加熱和主泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生蒸汽，在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)憋氣，實現(xiàn)沖轉(zhuǎn)，這可節(jié)省100多萬元建鍋爐的費用。

張森如讓技術(shù)人員仔細計算和充分論證，得出熱量平衡的結(jié)論。他是熱工水力瞬態(tài)分析專家，憑著多年的經(jīng)驗，他再次冒著拖延工期的風險，大膽決定：采用第二個方案。試驗取得圓滿成功！

從1997年開始，核動力院就自主創(chuàng)新，提出使用177堆芯。十幾年來，從來沒有放棄過對自主知識產(chǎn)權(quán)的177堆芯的研究。正是憑著這份堅守，張森如和他的團隊完成了一系列關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)攻關(guān)。綜合經(jīng)濟性與安全性考慮，最后敲定了“177堆芯”方案。申請專利時，專家評審組認為“做得很好”。

術(shù)有專攻，業(yè)有傳承?！叭A龍一號”前身的后續(xù)研發(fā)，副總設(shè)計師劉昌文同樣功不可沒。劉昌文1991年從上海交大畢業(yè)就到核動力院設(shè)計所工作，1996年，張森如帶著他開始研發(fā)CNPIOOO，這就是“華龍一號”最早的雛形。

核動力院的設(shè)計所是幾個主體所中的“設(shè)計龍頭”，也是人才最集中的地方，清華、交大學(xué)子云集，孫玉發(fā)、于俊崇兩位院士，以及許多院領(lǐng)導(dǎo)都出自這個所，包括核動力院現(xiàn)任院長、中國工程院院士羅琦。

當時核動力院還沒有搬遷成都，在那棟位于山溝里的老基地辦公樓，張森如帶著他們一起討論“177堆芯”方案。張森如是從技術(shù)崗提拔為行政領(lǐng)導(dǎo)的，因此他對技術(shù)鉆研得很深，但這一點也不影響他的思想開放，既不官僚，也不唯技術(shù)、唯經(jīng)驗。最初搞第四代堆型時候，選中了超臨界水冷堆技術(shù)，但是在敲定技術(shù)方案時有爭論，是用壓力管式，還是壓力殼式？最初，包括張森如在內(nèi)的大多數(shù)專家都支持壓力殼式，因為這是傳統(tǒng)技術(shù)，成熟、可靠，對核電來說，成熟技術(shù)非常重要，意味著可以避免很多風險，少走很多彎路。

張森如自己帶著問題去調(diào)研，查閱了許多資料，發(fā)現(xiàn)壓力管式的確實具有諸多優(yōu)點，既然是作為第四代技術(shù)的研發(fā)儲備，可以大膽探索，采用更好的技術(shù)。于是他帶領(lǐng)著一幫年輕的技術(shù)人員，開始了壓力管式超臨界水冷堆技術(shù)的研發(fā)。

CNP1000方案提出后，經(jīng)過兩年的各專業(yè)論證，得出了一個初步設(shè)計方案，1999年上報中核集團，獲得普遍好評。他們的方案里，不僅有“177堆芯”，還有非能動技術(shù)，這是核動力院早在20世紀80年代末就提出的核安全技術(shù)。

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，沿海用電量驟增，核電迎來發(fā)展的春天。2006年開始，我國陸續(xù)引進外國技術(shù)，包括美國的AP1000技術(shù)、法國的EPR技術(shù)、俄羅斯的VVER1000技術(shù)、加拿大的CANDU堆等，全球核電巨頭都紛紛在中國核電市場分得一杯羹，占領(lǐng)了當時絕大部分擬建的核電廠址，甚至有些技術(shù)在他們自己的國家都沒有建起首座示范堆，就跑來中國的土地上開建?？芍袊陌偃f千瓦核電技術(shù)卻四處碰壁，無人問津，一個核電廠址也落實不了。劉昌文他們很著急，卻一點辦法也沒有。

2008年，中核集團果斷出手，部署再做一個百萬千瓦核電技術(shù)，仍由核動力院牽頭設(shè)計。畢竟距離177堆芯提出已經(jīng)有10多年的時間了，全球核電技術(shù)有了許多進展，應(yīng)該及時學(xué)習(xí)吸收這些新技術(shù)。時任中核集團黨組成員、副總經(jīng)理余劍鋒主抓這個項目，任命核電工程公司的邢繼為項目總設(shè)計師，并將型號名稱由CNP1000變更為CP1000，劉昌文成為核動力院CP1000項目的總設(shè)計師。

劉昌文帶領(lǐng)設(shè)計團隊再次振奮精神，瞄準2011年開工建設(shè)核電廠的目標，進行方案設(shè)計優(yōu)化，并組織了國內(nèi)大大小小各種專家審查會，獲得高度評價。2011年2月28日至3月1日，這是核電項目落地前的最后一次例行審查會。會上，CP1000再次獲得專家們高度肯定，終于可以開工建設(shè)了，目標就是福清5號機組。

3月8日，劉昌文還去了福清5號機組項目現(xiàn)場，眼看著10多臺推土機已經(jīng)抵達現(xiàn)場，轟隆隆地開始挖土了。他非常激動——中國自主的百萬千萬核電技術(shù)就要在這里變?yōu)楝F(xiàn)實，設(shè)計人員10多年的成果終于要從藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實了！

誰都沒有想到，3月11日，日本福島發(fā)生的核事故將他們的夢想擊得粉碎。劉昌文回憶起這件事時，眼睛濕潤了。他說，當時身邊很多技術(shù)人員都很失落，也很彷徨，CP1000就像自己的孩子，懷胎十月，眼看就要降生了，卻最終夭折。在一次內(nèi)部討論會上，技術(shù)人員談到激動處，許多人都流下了眼淚——搞中國自主的核電技術(shù)為何就那么難！

情緒宣泄過后，工作還得繼續(xù)。劉昌文帶領(lǐng)設(shè)計團隊找到國外三代先進核電技術(shù)的各種標準，列出了長長的一串技術(shù)對標改進清單。他們的目標就是“拿出可以跟全球先進核電技術(shù)PK的中國自主三代核電技術(shù)方案”。

三代核電技術(shù)與二代技術(shù)的主要區(qū)別是安全性能得以提升。核動力院經(jīng)過對標各國家的先進核電技術(shù)，著眼于“滿足全球最高核安全標準”的嚴苛目標，提出了從反應(yīng)堆抗事故能力、電站專設(shè)安全設(shè)施等多方面著手進行設(shè)計改進，比如，核島抗震等級提升至0.3g（g為重力加速度）、采用“能動”+“非能動”專設(shè)安全系統(tǒng)等。每一個創(chuàng)新設(shè)計要求的提出，都意味著要開展大量的設(shè)計工作，但是所有的付出都是值得的，因為他們深知，核安全就是核行業(yè)的生命線。

在載荷計算環(huán)節(jié)，為了使計算得到的地震載荷分布真實可信，并合理地降低計算過程的保守性，設(shè)計人員苦心鉆研，完成了無數(shù)次計算，并花了大量精力對計算結(jié)果進行整理和分析，終于完成了地震響應(yīng)分析。

計算中，蒸汽發(fā)生器進口接管位置的地震載荷始終較大，一度成為整個系統(tǒng)抗震能力的瓶頸。設(shè)計人員創(chuàng)新思路，將蒸汽發(fā)生器原來“環(huán)抱一間隙”的支承方式變?yōu)椤袄瓧U”方式，并進行了力學(xué)計算論證，發(fā)現(xiàn)后一種力學(xué)狀態(tài)能夠增加蒸汽發(fā)生器上部的支承能力，增強其穩(wěn)定性，減少出口接管和土建支承的地震載荷，成功提高了整個系統(tǒng)的抗震能力。最終使“華龍一號”達到滿足抗震0.3g的要求。

管道破前漏技術(shù)是保證反應(yīng)堆運行安全可靠的一種設(shè)計，其基本思路是當管道發(fā)生泄漏，泄漏量達到一定程度時，可以通過專設(shè)的泄漏監(jiān)測裝置監(jiān)測到，從而在管道裂紋擴展到臨界尺寸而突然破裂前有充足的時間安全停堆并進行管道修補或更換。核動力院對LBB分析流程和方法有一定積累，深知該技術(shù)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是計算泄漏率，而由于技術(shù)封鎖，目前國際上使用最廣泛的泄漏率計算軟件PICEP不對中國出售。

于是，設(shè)計人員依據(jù)熱工水力基礎(chǔ)理論，遵循軟件工程的標準，對裂紋泄漏率計算軟件進行自主研發(fā)。新開發(fā)的軟件具有模塊化的代碼設(shè)計，輸入輸出規(guī)范，操作簡單，計算效率高。對于沒有采用LBB技術(shù)的輔助管道，設(shè)計人員利用商業(yè)軟件ANSYS二次開發(fā)功能進行了參數(shù)化、模塊化建模，形成了LOCA專用的模塊，實現(xiàn)了LOCA非線性動力分析過程的一體化，大大提高了工程分析的效率。

最終，設(shè)計人員完成了主管道和波動管的LBB泄漏率計算，以及輔助管道的LOCA動力響應(yīng)分析，保證了“華龍一號”在事故工況下的安全性和設(shè)計技術(shù)的先進性。

二代及二代改進型核電機組的設(shè)計壽命一般是40年，而三代核電的設(shè)計壽命一般都達到60年，這就對反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主設(shè)備、管道的疲勞性能和磨蝕性能提出了更高的要求。設(shè)計人員必須開展大量的設(shè)備疲勞分析，而這正是設(shè)備力學(xué)分析中最為耗時耗力的一項工作。

由于數(shù)據(jù)量大，計算人員在整理瞬態(tài)和校對命令流過程中，需要目不轉(zhuǎn)睛地長時間盯著電腦屏幕。在疲勞分析工作比較集中的階段，力學(xué)分析辦公室?guī)缀跞耸忠黄垦鬯幩?，以緩解眼部不適。當費盡九牛二虎之力算出來的疲勞分析結(jié)果不能通過時，即便滿眼淚水，也要開始新一輪的計算。

設(shè)計人員根據(jù)制造公差和腐蝕磨損裕量的不同，對近6000根蒸汽發(fā)生器傳熱管進行分組，逐一計算傳熱管壁厚，并同時考慮一次側(cè)和二次側(cè)瞬態(tài)以及管板與傳熱管的相互作用，對1000多組數(shù)據(jù)進行理論公式計算，最終完成了蒸汽發(fā)生器管束的疲勞分析工作。經(jīng)過對主要設(shè)備部件的疲勞和磨蝕分析，力學(xué)工作者論證了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備均能滿足60年設(shè)計壽命。

核動力院經(jīng)過3年的艱苦攻關(guān)，完成了全部研發(fā)課題！ 2015年5月“華龍一號”終于在福清5號機組開工建設(shè)。

回顧“華龍一號”走過的坎坎坷坷，劉昌文說：“整個研發(fā)過程感覺就像爬山，從山下往上爬的時候不覺得很辛苦，等爬到山頂了，回首來時路，才發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)歷了那么多艱難險阻?！?/p>

（作者：王敬東，中國作家協(xié)會會員;朱向軍，中核（北京）傳媒文化公司黨委副書記）