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在發(fā)展清潔能源已經(jīng)成為時代主題的今天，除了大型核電站成為世界上不少國家追捧的對象以外,對于小型反應堆的開發(fā)利用也日漸成為國際市場上一道亮麗的風景線。

按國際原子能機構(gòu)（IAEA）定義，小型堆是指電功率在30萬千瓦以下，采用模塊式設(shè)計、單堆功率較小的一體化反應堆。同時，它還具有多項功能。“小堆不僅僅可用于發(fā)電，還可以綜合利用，如供暖、海水淡化、制冷、工業(yè)用熱、為海上平臺提供能源、為破冰船提供動力。”中國核電工程有限公司小堆ACP100項目設(shè)計經(jīng)理李云屹介紹說：“它既可以作為大電站的補充——建造于遠離主電網(wǎng)的偏遠地區(qū)，又可以滿足特殊市場及特殊用戶需求。”

小堆的多元化用途，讓世界各國看到了“開創(chuàng)核能利用新時代”的美好前景，美、韓、俄、阿根廷等國都在投入大量人力物力，積極開展小堆的研發(fā)、推廣、建設(shè)，以搶占市場和科技制高點，占據(jù)先發(fā)的主動權(quán)。

而在這條賽道上，由中國核電工程公司設(shè)計總承包、中國核動力研究設(shè)計院負責科研的中核集團多用途小型模塊式反應堆ACP100項目正開足馬力、加速前行。“ACP100的標準設(shè)計報告已于去年年底完成，今年下半年，我們將針對備選廠址做工程初步設(shè)計。”中核集團ACP100科研專項總設(shè)計師宋丹戎介紹說：“在國際上，我們研發(fā)的進度可以說是領(lǐng)先的。”的確，放眼國外，韓國雖已完成標準設(shè)計，并獲得標準設(shè)計合格證，但僅止于此，尚無廠址供其開展工程設(shè)計。美國盡管積極推動小堆研發(fā)，但目前還處于概念設(shè)計階段。

領(lǐng)先的進度為中核集團未來搶灘小堆市場打下了良好的基礎(chǔ)。而這一成績的取得正是源于早先中核集團對于小堆價值的敏銳把握： 2010年6月，多用途模塊式小型堆ACP100被設(shè)立為中核集團重點科技專項。隨后，中國核動力院與中國核電工程公司成立研發(fā)團隊，并立刻投入到自主研發(fā)設(shè)計工作中。2010年底完成小堆ACP100頂層設(shè)計，2011年完成方案設(shè)計，2012年底完成標準化設(shè)計。這看似驚人速度的背后并非 “弱化了技術(shù)追求”，恰恰相反，“在依托20多年關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，每一個設(shè)計環(huán)節(jié)都是精益求精。”中核集團核動力事業(yè)部副主任、ACP100科技創(chuàng)新示范工程項目總指揮程慧平表示。

具有前瞻性的選擇

隨著西屋公司AP1000非能動安全系統(tǒng)的面世與推廣，“非能動”理念已深入貫徹到三代核電堆型設(shè)計中，同時也成為最先進安全系統(tǒng)的代名詞。ACP100同樣融入了這一設(shè)計理念。 “‘非能動’就是自然現(xiàn)象，如同水從高位自然流下來一樣，失效的概率很低，可以保證反應堆更加安全。” 宋丹戎介紹說。

事實上，“雖然ACP100項目 2010年才立為專項，但其技術(shù)研發(fā)已有20多年。”核動力院小堆專家羅樹新介紹說。成熟的技術(shù)基礎(chǔ)讓ACP100有著先天的優(yōu)勢，進一步融入“非能動”理念，無疑又大大提升了ACP100的安全值。

前瞻性的選擇，讓非能動安全系統(tǒng)在2010年ACP100立項之初便納入其方案設(shè)計中，同時也成為ACP100科研團隊創(chuàng)新研發(fā)的亮點之一。在2011年發(fā)生在日本福島的核事故，究其原因就在于其反應堆依靠的外力——柴油機被洪水淹沒，無法發(fā)電，最終致使主泵不能為反應堆提供冷卻水而導致核泄漏。而非能動安全系統(tǒng)恰恰規(guī)避了這一風險，形成了反應堆不依賴外力——電源實現(xiàn)冷卻的功能。

當然， ACP100引入的非能動安全系統(tǒng)并非是簡單的“拿來主義”。 與大核電非能動安全系統(tǒng)相比，“它們只是物理原理一樣，其系統(tǒng)設(shè)計完全不同。” 宋丹戎表示。ACP100的特點之一是反應堆一體化布置，將堆內(nèi)核心設(shè)備集成為一體，同時取消主管道。這與大電站結(jié)構(gòu)截然不同。也因此，“我們要根據(jù)小堆自身的特點重新設(shè)計。” 宋丹戎說。

沒有可參考借鑒的實物，也沒有可請教的專家，ACP100研發(fā)團隊只能在摸索中前行。從確定系統(tǒng)方案、系統(tǒng)參數(shù)及容量，到關(guān)鍵閥門的設(shè)計及研制，再到每一根管道的長度及內(nèi)徑大小，每一個設(shè)計環(huán)節(jié)研發(fā)人員都要反復測算，以確保萬無一失。

打造更牢固安全屏障

可以說，日本福島核事故的發(fā)生，催生了ACP100的布置方式。“縱觀以往的發(fā)展形態(tài)，對于小型堆的布置各國并不相同，比如美國是選擇將小堆埋于地下，而韓國的設(shè)計卻是將其布置在地面之上。” 宋丹戎介紹說。福島事故前，ACP100項目組對于布置方式還在多方考量之中。而后福島時代對于安全更加強化的要求，導致國內(nèi)外壓水堆核電站設(shè)計的趨勢，是將核反應堆壓力容器安裝標高盡量降低。作為壓水堆型的ACP100 “選擇將其埋于地下更多地還是出于對安全的考慮。”李云屹說。

2012年1月， 經(jīng)中核集團評審，最終確定了ACP100整個反應堆廠房全部降入廠平標高以下的方案。

這樣做的優(yōu)點是：有利于取消廠外應急和防范飛機撞擊等外部事件；巖體可以作為額外的一層安全屏障，形成安全殼、核島廠房、巖體對反應堆的3層保護，更加安全。

可以說，福島核事故已經(jīng)成為業(yè)界提升安全水平的殷鑒。“福島事故給我們上了一堂警示課，促使我們?nèi)娣此肌㈧柟藺CP100的安全性能。” 宋丹戎說。事故發(fā)生后，研發(fā)人員有針對性地對ACP100進行了安全設(shè)計改進：增設(shè)廠房外備用安全水池，通過重力向安全殼水池和乏燃料水池補水；適當加大安全殼的自由容積，降低在極端情況下的安全殼壓力；增設(shè)安全殼向水池的泄壓排放接口等。

“這些改進結(jié)果并非一蹴而就。記不清我們與集團、核動力院專家、領(lǐng)導有過多少次方案討論。總之是討論修改計算，再討論再修改再計算——直到解除潛在安全風險。” 宋丹戎表示。“所做的這一切都是出于讓小堆ACP100更加安全。” 程慧平說。

克服困難不斷前行

今年5月，針對已提出項目建議的備選廠址，研發(fā)團隊完成了ACP100工程總體設(shè)計，并轉(zhuǎn)入工程初步設(shè)計階段。ACP100的開工建設(shè)已邁出了實質(zhì)性的一步。

穩(wěn)扎穩(wěn)打的進展，讓ACP100研發(fā)團隊信心倍增的同時也感慨不已。可以說，“ ACP100是百分之一百的自主研發(fā)。” 羅樹新說。而“自主創(chuàng)新就意味著走上了一條前所未有的道路，在這里，隨時會遇到從未遇到的問題，而我們所要做的就是克服眼前的困難，不斷前行。” 宋丹戎說。

作為ACP100七大試驗之一，控制棒驅(qū)動線冷態(tài)試驗是驗證控制棒驅(qū)動機構(gòu)等設(shè)備的重要試驗，通過測量控制棒落棒數(shù)據(jù)，為驅(qū)動線的定型、優(yōu)化設(shè)計和安全評審提供試驗依據(jù)。

其實，對于核動力院而言，控制棒驅(qū)動線冷態(tài)試驗已經(jīng)開展過多次試驗。但因反應堆結(jié)構(gòu)不同， ACP100試驗件與其它電站有著很大不同，也正因此，試驗件的設(shè)計、制造、安裝要重新開始。這也相當于一次全新的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)之一是試驗件是歷次同類試驗中最長的一次。由于小堆采用了一體化設(shè)計，僅驅(qū)動桿就長達8米，整個試驗件更是長達14米。

挑戰(zhàn)之二是試驗件結(jié)構(gòu)復雜。試驗所采用的反應堆內(nèi)其中一組驅(qū)動線，包含了燃料組件、導向組件、驅(qū)動機構(gòu)、控制棒組件等驅(qū)動線組成部件。而其加工精度和安裝要求與原型相同，模擬原型結(jié)構(gòu)的同時還要考慮多個參數(shù)測量問題。

新型驅(qū)動線的設(shè)計、試驗件的設(shè)計和試驗方案設(shè)計幾乎同步進行。試驗相關(guān)人員在項目一開始就詳細了解試驗要求、驅(qū)動線各部件的結(jié)構(gòu)和部件間的接口，以把試驗件設(shè)計和試驗方案設(shè)計結(jié)合起來。既要考慮測試手段的可行性，又要盡量不改變驅(qū)動線的結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境，還要考慮試驗現(xiàn)場的安裝條件。為確保設(shè)計切實可行，每一個測量方案的制定都經(jīng)過歷史資料調(diào)研、課題組討論、廠家咨詢、與任務(wù)方交流評估、勘察現(xiàn)場等多個環(huán)節(jié)。

“控制棒驅(qū)動線冷態(tài)試驗要求2013年6月全部完成，否則會影響后續(xù)試驗進度。為了保證試驗進度要求，課題組人員從2012年10月到今年1月完全放棄了節(jié)假日，全力以赴進行試驗。”核動力院反應堆工程研究所流體力學研究室副主任蔣賢國說：“歷經(jīng)幾個月的奮戰(zhàn)，最終，我們按進度完成了全部試驗內(nèi)容。”

從某種程度上講，“小堆沒有內(nèi)陸和沿海的限制，有其特有的發(fā)展前景。”中國工程院院士葉奇蓁表示。自身的優(yōu)勢、穩(wěn)步的推進和遠景的可期讓ACP100“開創(chuàng)核能多用途新時代”漸行漸近。但不容忽視的是， ACP100前行的道路上仍存在“障礙”：目前國內(nèi)還沒有針對小堆的安全特點和應用條件而設(shè)置相關(guān)法規(guī)和安全評審標準。小堆能否盡快納入國家核能發(fā)展規(guī)劃，能否得到工程建設(shè)資金、銷售電價和稅收方面的支持，都有待國家的政策。無論如何，先行一步的ACP100項目已經(jīng)做好了搶灘市場的準備。