8月10日，全球首個陸上商用模塊化小堆玲龍一號反應(yīng)堆核心模塊成功吊裝，玲龍一號核島設(shè)備安裝關(guān)鍵路徑上的第一個里程碑節(jié)點順利完成。
玲龍一號反應(yīng)堆核心模塊主要包括壓力容器和蒸汽發(fā)生器兩個關(guān)鍵設(shè)備。“與華龍一號的分散布置相比，玲龍一號最突出的特征就是一體化設(shè)計、模塊化建造等，這次核心模塊吊裝就是最好的詮釋。”中國核動力研究設(shè)計院副院長唐傳寶介紹說。
玲龍一號的蒸汽發(fā)生器內(nèi)置在反應(yīng)堆壓力容器里。吊裝前，蒸汽發(fā)生器就已經(jīng)在工廠與反應(yīng)堆壓力容器完成了組裝焊接，相當于把核電站的“肺”裝在了“心臟”里面。
此后，堆內(nèi)構(gòu)件、主泵等關(guān)鍵設(shè)備也將陸續(xù)到場安裝，距離揭開玲龍一號“神秘面紗”，我們又更近了一步。
即插即用？
作為全球首個開工的陸上商用模塊化小堆，玲龍一號是中核集團繼華龍一號后的又一自主創(chuàng)新重大成果，是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能模塊化小型壓水堆，標志著我國在模塊化小型堆技術(shù)上走在了世界前列。
“傳統(tǒng)的大堆我們可以把它看作一個家用的臺式電腦，包括了顯示器、主機、鍵盤等，小堆我們可以把它當作一個筆記本電腦，它的顯示器、主機、鍵盤等都集中到一起了。” 中核集團玲龍一號總設(shè)計師宋丹戎為小堆的定義給出了通俗的解釋。“
玲龍一號最大的創(chuàng)新點，就在于它的一體化設(shè)計。” 玲龍一號副總設(shè)計師秦忠介紹說，“這一理念體現(xiàn)在玲龍一號設(shè)計、制造、運輸、安裝的全過程。”
在“一體化”的設(shè)計下，以往需要在現(xiàn)場進行的大量安裝工作都能夠在工廠內(nèi)完成。這樣一來，設(shè)備的質(zhì)量得到了進一步的提高，造價將降低，所需工期也將大幅縮短，為核電設(shè)備的批量化、規(guī)?；a(chǎn)打下基礎(chǔ)。
在核電站設(shè)備中，反應(yīng)堆壓力容器是核心設(shè)備之一，也是反應(yīng)堆中唯一不可更換的主設(shè)備，被譽為核電站的“心臟”;而蒸汽發(fā)生器則被稱為“核電之肺”。
相比于傳統(tǒng)核電站分散式的設(shè)備布置，玲龍一號的研發(fā)取消了主管道，直接將蒸汽發(fā)生器安裝在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部，反應(yīng)堆冷卻劑泵直接與壓力容器主泵接管安裝，從而形成了集成式一體化的設(shè)備布置形式，相當于將核電站中的“心肺合一”。
“這是此前從未有過的設(shè)計，沒有任何可供參考借鑒的經(jīng)驗，我們進入了一個核能領(lǐng)域的無人區(qū)，只能摸著石頭過河。”秦忠說。
從2010年正式立項開始，玲龍一號的原始設(shè)計方案在一次次的實踐中被不斷修改調(diào)整，最后確定的終版設(shè)計與最初相比已經(jīng)大為不同。
“研發(fā)過程中所有的環(huán)節(jié)都由我們自主完成，每一步都是以大量的實驗為基礎(chǔ)，里面包含了很多的正向設(shè)計。”秦忠說，“我們自己定目標，自己研發(fā)技術(shù)，一邊實踐一邊制定標準。這其間遇到了很多挫折，但自主創(chuàng)新這條路再難也得走下去，必須要將核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里。”
在安全性方面，玲龍一號也處于三代核電的先進水平，其具有的高固有安全性和完全非能動的安全系統(tǒng)，可以在事故發(fā)生時通過重力和自然循環(huán)等非能動方式將堆芯熱量導出，實現(xiàn)長期冷卻。這意味著即便沒有外界操作，玲龍一號也能“自己照顧好自己”，確保自身安全。
在此基礎(chǔ)上，研發(fā)團隊還對安全殼做了適當?shù)姆糯?，消除了氫氣聚集爆炸的風險，進一步提高了安全性。
“玲龍一號不是誰的翻版，它是一個革命性的集成創(chuàng)新，邁出了歷史性的第一步。”宋丹戎說。在玲龍一號的研發(fā)過程中，創(chuàng)新精神貫穿始終。“整個團隊不斷迭代，不斷突破，最終形成了一個自洽的方案，在此過程中我們不斷提升的設(shè)計、制造、安裝能力，讓圖紙一步步變成了現(xiàn)實。”
“以玲龍一號為起點，未來的核電設(shè)備將像家電產(chǎn)品一樣，流水線生產(chǎn)，即插即用。”玲龍一號副總設(shè)計師秦忠總結(jié)說。
重構(gòu)“心臟”
玲龍一號反應(yīng)堆核心模塊
2020年11月，玲龍一號反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計負責人董元元遇到了一個棘手的難題。
由于其他專業(yè)的設(shè)計沒能跟上，壓力容器的制造陷入了停滯。
“原本壓力容器預(yù)估的生產(chǎn)周期是40個月，團隊也早在2017年就開始提前籌備，做足了準備工作。”董元元解釋道。令他沒想到的是，其他專業(yè)的設(shè)計和制造進度不及預(yù)期，相關(guān)實驗仍在進行中，使得設(shè)備制造的整體進度卡在原地。
眼看著工期節(jié)點步步逼近，心急如焚的董元元在半個月的時間里和其他專業(yè)的團隊吵了好多次架。“我和他們電話里吵，辦公室里吵，拍著桌子吵方案，起了不少‘沖突’。”
但問題不是吵架就能解決的，玲龍一號的一體化設(shè)計對各個環(huán)節(jié)都提出了前所未有的新要求。各個團隊必須進行大量的新實驗，以確保每一個數(shù)據(jù)扎實可靠。
作為核電站的“心臟”，玲龍一號反應(yīng)堆壓力容器雖“小”，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復雜。在常規(guī)反應(yīng)堆壓力容器的基礎(chǔ)上，還增加了支承主泵、包容蒸汽發(fā)生器、消除主管道、堆內(nèi)分流等額外的功能作用。“就像套娃一樣，一層包一層。”設(shè)計團隊如是說。
“反應(yīng)堆的體積雖然變小了，但功能反而增加了，這就使得設(shè)計團隊要做出徹頭徹尾的改變，對各個環(huán)節(jié)來說都是巨大的挑戰(zhàn)。”董元元說。
由于沒有成熟的經(jīng)驗可供借鑒，壓力容器設(shè)計團隊只能摸著石頭過河，對初始方案進行分解、論證、三維建模分析，并聯(lián)合制造廠，完全按照產(chǎn)品的制造要求進行1:1 模擬體的研制，從材料、焊材、焊接工藝、焊接工藝評定要求、產(chǎn)品焊接要求、無損檢驗和機械加工要求等方面，對該結(jié)構(gòu)的制造可行性進行驗證。
“我們在時間上打出了充足的提前量，但其他專業(yè)那邊的各項參數(shù)還在實驗論證中，再著急也趕不出來，這給我們造成了近乎無解的難題，”董元元說，“我們只能層層上報，和各方做大量的協(xié)調(diào)溝通，想盡辦法推進度，搶時間。”
最終，在層層協(xié)調(diào)下，由兩個設(shè)計團隊、兩個廠家和采購團隊組成的“五方會談”機制建立了起來。這一新的機制打破了傳統(tǒng)的“一對一”對接模式，讓各方能夠第一時間同步自身項目進展，使得困難及卡點能夠得到及時的溝通和解決，讓整個制造流程順暢了起來。
“我們在此基礎(chǔ)上，還針對性地設(shè)立了一個‘反確認’的流程，從壓力容器的角度提前去給其他專業(yè)的設(shè)計制造提要求，盡可能地提升效率。”為此，董元元拉上了力學、熱工、流體等多個團隊，預(yù)判設(shè)計難點，多方協(xié)力攻克設(shè)計難題，最終成功確保了制造的順利進行。
“雖然‘吵了架’，但大家的初衷都是為了確保項目的順利進行，看到壓力容器能成功完成，大家都發(fā)自內(nèi)心的高興。”董元元笑著說。
玲龍一號不僅在設(shè)計上走出了一條新的道路，其具體的制造也打破了傳統(tǒng)的模式，不僅要求內(nèi)外部門的通力協(xié)作，更有著“牽一發(fā)而動全身”的新特點。
“玲龍一號是高度集成的一體化設(shè)計，任何設(shè)備尺寸、位置、測量方式的微小改變，都會引發(fā)一系列的連鎖效應(yīng)，每一個環(huán)節(jié)我們都要進行反復的論證、確認，以杜絕任何可能的安全隱患。”玲龍一號副總設(shè)計師夏欣說道。
以主給水隔離閥的設(shè)計制造為例，原本的設(shè)計要求需要它能夠在5秒內(nèi)快速關(guān)閉，然而制作廠家必須要將隔離閥的尺寸做得更大才能滿足這一要求;在隔離閥尺寸變大后，受限于壓力容器的尺寸，隔離閥的驅(qū)動方式也需要改變，進而使得其吊裝方式發(fā)生了變化，只能從外部吊裝進入，這就需要留出相應(yīng)的孔洞。更關(guān)鍵的是，由于隔離閥尺寸變大，測量流量的儀表沒有了安置空間，只能更改位置，將原定于在支管上進行的一二回路熱平衡試驗方式全部轉(zhuǎn)移到了主管上。在新的條件下，如何測量?又如何保證測量數(shù)據(jù)的準確性?分別測量和集中測量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)應(yīng)該如何換算?這些都需要一一解答。
經(jīng)過反復調(diào)整、迭代，研發(fā)團隊花費半年時間終于解決了主給水隔離閥的設(shè)計制造，而這只是玲龍一號研發(fā)過程中的一個微小縮影。
再造“核肺”
早在2013年的夏天，在成都郊區(qū)的青白江機械廠，一個由20多人組成的焊接團隊就沒日沒夜地進行玲龍一號蒸汽發(fā)生器的組焊技術(shù)攻關(guān)，力爭在立項截止日期前拿出成熟的焊接方案。
由于時間緊，任務(wù)重，加之天氣炎熱，每個人都倍感壓力。一次領(lǐng)導去現(xiàn)場慰問，大家集聚在會議室里對焊接缺陷進行原因分析。面對氣孔、裂紋等焊接缺陷，究竟是材料本身的原因所導致，還是焊接變形所引起，大家一時爭執(zhí)不下，最后演變成了面紅耳赤的“拍桌子”大會。
“因為之前沒有做過，所以沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗和理論可以借鑒，盡管大家技術(shù)經(jīng)驗豐富，但最終還是要以驗證結(jié)果為準，這一切只能自己摸索，沒有捷徑可言。”玲龍一號蒸汽發(fā)生器項目成員李潮偉這樣表示。一番激烈的討論后，大家還是迅速回歸到了緊張的實驗中。
初始路線驗證是一大難關(guān)，把它徹底變成現(xiàn)實又是新的考驗。
“小堆的蒸汽發(fā)生器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕性好、傳熱效率高等優(yōu)勢，大堆的制造技術(shù)肯定不能拿到小堆上直接用，這就需要我們拿出全新的設(shè)計思路。”玲龍一號蒸汽發(fā)生器設(shè)計負責人劉威說。
針對一體化布置的特點，團隊開展了蒸汽發(fā)生器緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計。為避免引入過大的附加載荷，選用了與大堆不同的新型材質(zhì)作為蒸汽發(fā)生器主要材料，并通過巧妙的雙層套管結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙面?zhèn)鳠?，增加單位空間內(nèi)布置的傳熱面積。
“玲龍一號蒸汽發(fā)生器的每一個設(shè)計都是經(jīng)過無數(shù)次反復論證才得出的最優(yōu)解，整個過程中差之分毫都不行。”劉威如是說。
然而在前進的路上，研發(fā)團隊要面對的不只是巍峨險峻的高山，還有不期而至的疾風驟雨。
2021年2月，在對蒸汽發(fā)生器進行第一次超高壓水壓實驗時，現(xiàn)場同事給李潮偉打來電話：“壓力表一路飆升，容器被打壞了。”這句話猶如晴天霹靂，當時李潮偉心里只有一句話：完了，任務(wù)節(jié)點保不住了。
“‘容器被打壞’意味著密封結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，密封失效了。”李潮偉這樣解釋道，“這簡直是捅破天，就好像米要下鍋，結(jié)果鍋壞了，直接影響到了項目主線的進程。”
面對突如其來的新難題，盡管倍受打擊，但李潮偉還是迅速冷靜下來，著手推動局部結(jié)構(gòu)的重做。團隊花費4個月的時間反復實驗，終于成功解決密封問題，確保了2022年9月蒸汽發(fā)生器的順利完成。
“玲龍一號的新結(jié)構(gòu)、新材料對我們提出了非常高的要求，蒸汽發(fā)生器順利完成，意味著我們十多年來的努力終于開花結(jié)果，這是一次刻骨銘心的經(jīng)歷。”李潮偉感慨道。
“新”“辛”相印
玲龍一號采購團隊
“如何買一個不存在的東西?”玲龍一號采購團隊負責人米小琴一上來就拋出了這個深刻的問題。
在玲龍一號的研制過程中，相比于最核心的壓力容器及蒸汽發(fā)生器的研發(fā)制造團隊，采購團隊更像是一群隱居幕后的無名英雄。他們承擔著非常重要的職責，卻往往鮮為人知。
玲龍一號的采購團隊與傳統(tǒng)意義上的采購團隊不同，這支成立于2007年的隊伍所做的工作不是簡單的下單、收貨。對他們來說，簽訂合同只是第一步。接下來的全過程中，他們都要負責質(zhì)量把控，保證監(jiān)督監(jiān)察，確保每一個設(shè)備保質(zhì)、保量、按時、按需完成。
“由于玲龍一號是三新設(shè)備，有著革命性的模塊化設(shè)計和布置，所以我們一開始就對新工藝、新技術(shù)的實施困難非常重視，對制造過程中的風險進行了充分識別和評估。”米小琴說。
從項目伊始，采購部組織開展了4次沙盤推演，通過訪談、交流、情景設(shè)計及演習，提前識別風險，形成風險管控清單，采用狀態(tài)屏、TOP10等手段進行動態(tài)管理。“我們識別了上百條風險，并制定相應(yīng)措施，取得了良好的效果。”米小琴說。
但即便對整個制造過程有充分的預(yù)估和準備，2022年8月，采購部仍然度過了一個艱難的夏天。當時，集團將在9月底對壓力容器合格驗證、蒸發(fā)器焊接進行節(jié)點考核，但直到8月，項目進度都不及預(yù)期。
那一個月，采購部的工作人員輪番駐守在制造廠房中，24小時跟著制造團隊，梳理資源和流程。哪里有卡點，哪里就有采購部的工作人員。
“那時候吃住都在廠里，最忙的時候，剛結(jié)束一整晚的加班，就要立刻參加早晨的組會。但大家都不曾抱怨，甚至會催促同事去休息，讓自己承擔更多的工作。”米小琴說。
就是在這樣百折不撓、勇往無前的精神下，部門順利通過了節(jié)點考核，一步步圓滿完成任務(wù)。
與采購團隊類似，玲龍一號背后的試驗團隊同樣發(fā)揮著默默無聞卻至關(guān)重要的作用。在玲龍一號的創(chuàng)新之路上，研發(fā)團隊的每一個新思路、新設(shè)計，都要由試驗團隊來進行驗證。但試驗團隊并不只是被動地承接各類設(shè)計要求，如果設(shè)計想法不能實現(xiàn)，試驗團隊也需要反客為主，在客觀驗證的基礎(chǔ)上反過來對設(shè)計提出新的要求。這其中，玲龍一號的非能動余熱排出系統(tǒng)就是一個典型代表。
非能動余熱排出系統(tǒng)，指的是依靠回路中的水由于溫度不同所產(chǎn)生的密度差和水位高低不同產(chǎn)生的重力差作為驅(qū)動力形成自然循環(huán)，在不依靠外界提供動力的情況下就自行運作，將反應(yīng)堆余熱導出，實現(xiàn)反應(yīng)堆安全停堆，避免由于外部供電系統(tǒng)失效等情況引起的反應(yīng)堆嚴重事故。
“針對余熱排出、安全注射等要求，我們大大小小的實驗做了40多次。只是一個水箱進出水的接口，我們就和設(shè)計團隊反復打磨、迭代。”試驗團隊負責人黃志剛說。
在最初的計劃里，水箱兩個接口之間的距離較近，各自負責注入冷水和導出熱氣。但在實況驗證中，試驗人員發(fā)現(xiàn)在熱量傳遞的作用下，兩個接口會彼此干擾，導致系統(tǒng)循環(huán)無法正常進行。“
這是一個很嚴峻的問題，直接關(guān)系到非能動系統(tǒng)能否起效。”黃志剛解釋道，“為了找到最合適的接口位置，我們反復進行實驗，預(yù)設(shè)了8種不同的工況，前前后后共持續(xù)了半年的時間，才終于成功完成。”說到這里，黃志剛露出了欣慰的笑容。
全能選手
除了發(fā)電，核能還有大量的綜合利用前景，包括工業(yè)供氣、城市供暖、海水淡化等，”宋丹戎說，“玲龍一號作為全能型選手，能夠布置在不同地點來滿足多樣化的能源需求，應(yīng)用前景非常廣闊。”
玲龍一號發(fā)電功率12.5萬千瓦，建成后年發(fā)電量可達10億千瓦時，滿足52.6萬戶家庭生活所需。它的推廣應(yīng)用可以大大減少我國化石能源的消耗、促進節(jié)能減排。同時，一臺玲龍一號機組的年發(fā)電相當于植樹造林750萬棵，減少二氧化碳排放88萬噸。
面向我國“2030年要碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和”的目標，玲龍一號可以連續(xù)、穩(wěn)定地承擔碳達峰、碳中和任務(wù)，助力我國深入推進能源轉(zhuǎn)型，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。
放眼全球，小堆是當前國際核能領(lǐng)域競爭的焦點之一，目前有18個國家正在開發(fā)建設(shè)80多種小堆。相比于很多國家開發(fā)的小堆還停留在紙面上，玲龍一號率先邁出了模塊化小堆工程落地這關(guān)鍵一步，在整個國際上都有著重要的示范意義。許多國家都對玲龍一號表現(xiàn)出強烈的興趣。
“玲龍一號的多用途性在國外很受歡迎，它對于很多電網(wǎng)規(guī)模小、人口數(shù)量少的國家非常適用，未來大有可為。”秦忠說。
如今，“華龍”和“玲龍”一大一小，差異互補，完美配合，已經(jīng)成為中核集團馳騁搶灘海外市場、支撐國家“一帶一路”倡議的“雙龍”。
作為安全、智能的模塊化小型堆，玲龍一號將推動我國在世界核能領(lǐng)域率先突圍，為中國制造再添一張靚麗的名片!
