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高温气冷堆:自主创新铸就国之重器

来源:科技日报2022-08-03 09:30

  山东荣成石岛湾,全球首座球床模块式高温气冷堆核电站示范工程现场,工程走向商运前的最终调试正在紧张进行。

  2021年12月20日,示范工程并网成功,我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一。

  高温气冷堆被称作“傻瓜堆”——发生异常情况时,该堆可以在不需要任何人为干预的情况下保持安全状态。这对视安全为生命线的核电意义重大。

  2003年至今,清华大学、中国核工业集团有限公司(以下简称中核集团)、中国华能集团有限公司(以下简称中国华能)“牵手”近20载,联合一批大型企业,推动我国高温气冷堆从“样品”变为“产品”。从10兆瓦实验堆到20万千瓦示范工程,首台套设备达2200多台(套),创新型设备有600余台(套),设备国产化率高达93.4%。

  在清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称核研院)党委书记、高温气冷堆核燃料元件研发工作带头人唐亚平看来,并网成功是合作带来的直观效益,更深层的效益则是通过体制机制创新,把高校和企业紧紧地结合在一起,将“小核心、大协作”这一协同创新战略构想落到了实处、取得了实效,这将给未来的高温气冷堆批量化、商业化、国际化带来可观前景。

  合理配股 构建协同创新格局

  2003年1月29日,清华大学10兆瓦高温气冷实验堆成功实现72小时连续满功率运行。实验成功后,清华大学希望寻找志同道合且具有雄厚实力的央企合作推动成果产业化。此时,对正在为谋求更高质量发展寻找突破的原中国核工业建设集团(2018年与中核集团重组)来说,清华大学的橄榄枝无异天赐良机。

  双方一拍即合,通过校企合作正式启动高温气冷堆工程转化研究。

  作为参与合作谈判的主要成员之一,中核集团中核能源科技有限公司(以下简称中核能源)党委书记、董事长张国华回忆起当年的场景仍历历在目,“因为是第一次,大家都是摸着石头过河,过程很艰苦,但也卓有成效,包括成立高温气冷堆科技成果转化平台——中核能源,推动高温气冷堆技术从实验室走向市场,实现产业化”。

  然而,“一拍即合”并不意味着“一帆风顺”。

  一开始,双方都有顾虑:资本方怀疑技术方到底能不能研发出真正满足市场需求的产品以实现自身投资价值,技术方也对资本方是不是真心实意、能不能坚定不移支持技术研发并进行商业推广没底。

  “怎么分工、如何互补?怎么分担责任、如何考虑收益预期?这些事情如果不明晰,会影响合作积极性、紧密程度以及投入力度。”张国华告诉记者,中核能源成立之初采用了双方各占50%的股权分配方式,为“小核心、大协作”创新体系奠定了重要基础。

  2004年,随着中国华能的加入,高温气冷堆示范工程三方合作、强强联合的新格局正式形成,校企合作、协同创新迈上新台阶。

  联合攻关 共同承担国家使命

  高温气冷堆的高安全性主要得益于一种基于陶瓷型的4层包覆颗粒的全陶瓷型核燃料元件。这也是“买不来、要不来、讨不来”的关键核心技术。

  “清华大学在实验室里将这项技术走通后,在国家科技重大专项支持下,与中核北方核燃料元件有限公司展开合作攻关,让实验室的技术实现了工程化、变成了生产力。”唐亚平说。

  作为全球首堆,示范工程没有可借鉴经验,面临诸多类似的高难度技术挑战。

  蒸汽发生器被称为“核电之肺”,也是高温气冷堆最关键设备之一。2008年,承担蒸汽发生器制造任务的哈电集团组建新团队、建设新厂房准备一鼓作气拿下新技术。

  然而,问题接踵而来。最初的设计是将10兆瓦实验堆小规模的非工业化设备数据提高两到三个量级形成的,然而制造难度太大、经济性不好、后续可检验性不足。

  2015年春,为加快蒸汽发生器制造,确保按期交付,在项目业主单位华能石岛湾核电公司的组织下,作为EPC总包方,中核能源推动哈电集团制造专家、核研院设计专家及业主设备采购、安装管理人员协同创新、联合攻关。

  联合攻关团队在高温堆一比一的工程实验室一起协作,经过8个月不懈努力,前后完成8版设计,修改100多处细项,并一一验证。2018年,从最初算起历时10年,团队攻克了30多项关键技术、打造出了“高温气冷堆之肺”,其中高精密换热管对接焊工艺等18项重大工艺均为国内首创。

  出了钱还要出人?这在以前是不可思议的事,在示范工程建设过程中却成为常态。

  “因为是首堆,合同写得再细,也会碰到很多没有想到的事。”张国华经常说,“不要把与清华大学的合作看作一般商业化工程,而要看成是在联合攻关,在共同承担国家使命。”

  逐步接受这个观点后,三方合作就越来越顺畅了。

  “师徒制”促进文化深度融合

  除了创新难度大,合作之初三方还面临文化冲突,尤其在示范工程设计工作中。

  核研院老师习惯于学术研究,喜欢不断探索、追求完美,对设计成果精益求精。中核能源设计人员则更多是工程思维,更加注重进度、成本、可靠性。中国华能设计管理人员更强调项目安全、质量、进度、成本“四大控制”。

  “我们推动公司与清华大学共同成立‘联合总体室’,联合举办核工程硕士班,建立‘师徒制’等多种举措全面促进相互理解与深度融合。”张国华说,多年文化融合的成效是显而易见的:老师们更加重视工程技术工作“合理可行、规范变更”的原则,公司员工则更加理解、尊重老师们对创新的追求。

  中核能源原副总经理杨明德是核研院教授,曾在示范工程现场坚守了4年。他深情地表示,自己既是清华人也是中核人。

  如今,中核能源52%的员工拥有硕士及以上学历,40%拥有高级职称,其中大部分经过了核研院工程硕士班的培养,双方建立了亦师亦友的深厚情谊。在共同的事业中,高校文化和工程文化和谐共生、相得益彰。

  中核集团科技质量与信息化部主任尹卫平表示,科技创新是核工业的立业之本,是核工业发展之魂。在当前历史阶段,核科技创新的重要地位丝毫不亚于任何一个历史时期。中核集团坚持“小核心、大协作”的理念,加强和扩大“国内翼”合作,发挥协同创新单位的优势来共同推动解决集团关注的科学问题,成为集团公司研发体系的重要组成部分和科技创新“新势力”。

  点评推动科技创新和工程技术发展深度融合,打通从科技强到产业强、经济强、国家强的通道,科技成果转化是重要环节。完全自主创新、领先世界的高温气冷堆技术的转化是无人区的探索,可供借鉴的经验有限,而且周期长、见效慢、队伍难以稳定。合作各方将科技自立自强视为国家强盛之基、安全之要,在摸着石头过河的过程中,破解了机制冲突、利益冲突、文化冲突,将各方力量拧成一股绳,最终实验室“样品”变成了“产品”,组建了自主可控的高温气冷堆产业链,打造出新的国之重器。(陈 瑜)

[ 责编:蔡琳 ]
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