核能工業(yè)的轉(zhuǎn)折點”“開創(chuàng)核能多用途新時代”“游戲的改變者”……一直以來，模塊化小堆(以下簡稱小堆)都被國內(nèi)外核電領(lǐng)域的專家給予了很高的評價，特別是福島核事故后，小堆因其更具靈活性和安全性，開始受到了熱捧。
中國核動力研究設(shè)計院緊跟世界核能發(fā)展趨勢，通過十幾年的刻苦攻關(guān)，研發(fā)出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能模塊化小型壓水堆堆型，這是繼華龍一號后的又一自主創(chuàng)新重大成果，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
玲龍一號應(yīng)運(yùn)而生，也成為了中國核電“重啟”的重要選項。
在期許中“誕生”
什么是小型堆?國際原子能機(jī)構(gòu)認(rèn)定——電功率30萬千瓦以下的核反應(yīng)堆。
“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(jī)、鍵盤等等，小堆我們可以把它當(dāng)作家里面的一個筆記本電腦，它的顯示器、主機(jī)、鍵盤等都集中到一起了。”中核集團(tuán)玲龍一號總設(shè)計師宋丹戎給出了更通俗的解釋。
早在上世紀(jì)七八十年代，國際原子能機(jī)構(gòu)就開始倡導(dǎo)發(fā)展中小型反應(yīng)堆。包括美國、俄羅斯、日本、韓國、英國等在內(nèi)的越來越多的國家，競相加入到模塊化小堆研發(fā)的行列。
進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著小地區(qū)或偏遠(yuǎn)山區(qū)供電、城市冬季集中供熱、工業(yè)園區(qū)集中供熱、島礁供電、海上石油開采等領(lǐng)域?qū)η鍧嵞茉吹男枨筮M(jìn)一步提升，以及國家為實現(xiàn)“美麗中國”對構(gòu)建綠色能源體系的強(qiáng)烈需求，小堆在功率規(guī)模可變化、模塊化快速組裝、運(yùn)輸便捷性、需求滿足穩(wěn)定性、適應(yīng)環(huán)境條件強(qiáng)等方面綜合優(yōu)勢十分顯著。而壓水堆技術(shù)作為目前世界上商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的核能應(yīng)用技術(shù)，擁有最高的技術(shù)成熟度和最豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，在小堆的研發(fā)過程中是優(yōu)先考慮的設(shè)計技術(shù)。
2003年，核動力院開始了小型多用途一體化堆的探索研究，以海水淡化、熱電聯(lián)產(chǎn)、核能供熱等需求為目標(biāo)，完成了概念方案和安全性及經(jīng)濟(jì)性評估，為后續(xù)項目發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
2009年，中核集團(tuán)在“十二五”規(guī)劃中提出了“差異化發(fā)展”的戰(zhàn)略，小堆逐漸“浮出水面”。
2010年，中核集團(tuán)將小型多用途堆技術(shù)研發(fā)列為集團(tuán)公司重點科技專項。
2011年，中核集團(tuán)對模塊化小堆的研發(fā)正式啟動。項目代號ACP100，別稱玲龍一號，它與大家熟知的華龍一號是“親兄弟”。
全球首個陸上商用模塊化小堆開工建設(shè)
雖說玲龍一號是一個小型堆，但這并不是單純的把大型核電小型化。
“玲龍一號是一個涉及多需求多目標(biāo)多技術(shù)耦合的新堆型，沒有現(xiàn)成的堆型可以作為參考。設(shè)計過程中遇到的最大的問題是以往可以直接用的一些大型壓水堆技術(shù)理論，包括數(shù)據(jù)等，對于它都不適用，必須從頭開始。”宋丹戎說，玲龍一號目前是全球唯一通過國際原子能機(jī)構(gòu)官方審查的三代核能小堆，由于是全球首座商業(yè)三代核小堆項目，此前沒有經(jīng)驗可循，邊實踐、邊總結(jié)、邊調(diào)整，成為了建設(shè)者們的“必修課”。“我們開始小堆研發(fā)的時間跟國際基本同步，有些研發(fā)甚至更靠前，因此，我們也沒有可以借鑒的成熟經(jīng)驗，只能摸著石頭過河。”
2010年8月，成都正值酷暑。宋丹戎卻帶領(lǐng)著小堆研發(fā)團(tuán)隊加班加點的構(gòu)思和研討小堆的設(shè)計方案。在核動力院會議室里，宋丹戎、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計研究室主任羅英和時任堆總體及堆內(nèi)構(gòu)件專業(yè)組組長的許斌等經(jīng)過慎重討論達(dá)成共識——為了占據(jù)先機(jī)，必須提前拿出小型堆反應(yīng)堆總體結(jié)構(gòu)的初步方案。這是一道死命令。
小堆最核心的技術(shù)是反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)一體化布置設(shè)計技術(shù)。年輕的工程師陳訓(xùn)被選定為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)總體技術(shù)負(fù)責(zé)人，時間緊，任務(wù)重，他通過查閱大量資料，終于有了關(guān)于小堆的初步構(gòu)想。可構(gòu)想是否可行、有沒有缺陷，還需要讓更富有經(jīng)驗的老前輩來把關(guān)。陳訓(xùn)帶著小堆的初步構(gòu)想找到了擁有40多年反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗的老專家郝維明，通過10多天的反復(fù)討論，兩人一次性提交了4份不同的設(shè)計初步方案。最終，在廣泛征求了大家意見的前提下，敲定了最佳方案，也就是如今中核集團(tuán)向世界推出的玲龍一號的雛形。
為取得全球通行證，玲龍一號主動接受了國際原子能機(jī)構(gòu)通用反應(yīng)堆安全審查，從2014年至2015年，玲龍一號研發(fā)團(tuán)隊完成了4000多份報告，并先后到維也納、北京完成三輪次的技術(shù)答辯，歷時2年。最終，在2016年，它成為全球首個通過IAEA安全審查的小型壓水堆技術(shù)。相比全世界很多國家開發(fā)的小堆都還停留在紙上，我國率先邁出了模塊化小堆工程落地這關(guān)鍵一步。
2020年10月下旬，12位核電行業(yè)專家坐在一起，舉行為期一周的玲龍一號項目總工期沙盤推演活動，活動現(xiàn)場并沒有真正的沙盤，專家們聚在一起對玲龍一號施工中可能遇到的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析與研討，甚至細(xì)到核島中的一顆螺絲釘。“通過大家的頭腦風(fēng)暴，對相關(guān)的應(yīng)對措施我們也提出了一些比較合理的方案，讓專家?guī)臀覀冏R別，幫我們判斷，這樣把一些風(fēng)險提前消除。”核動力院小堆項目經(jīng)理李松說，為了早日實現(xiàn)玲龍一號項目落地，大家都卯足了干勁。
2021年7月13日，中核集團(tuán)海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程(小堆示范項目)在海南昌江核電現(xiàn)場正式開工，至此，該項目成為全球首個開工的陸上商用模塊化小堆，標(biāo)志著我國在模塊化小型堆技術(shù)上走在了世界前列。
打造又一“國家名片”
既然有了華龍一號這樣技術(shù)成熟的大堆，為什么還要研發(fā)玲龍一號這樣的小堆呢?答案是：它更小巧、更靈活、更安全、更靠近用戶，號稱“移動充電寶”。
眾所周知，全世界在建及運(yùn)行中的百萬千瓦級壓水堆核電反應(yīng)堆，個個都是龐然大物。以法國的M310和EPR、美國的AP1000為例，堆型均為分散型布置，光是反應(yīng)堆壓力容器的直徑就有4米多，高度超過12米。再算上壓力容器外面布置的蒸汽發(fā)生器、冷卻劑主泵、穩(wěn)壓器等主設(shè)備，整個反應(yīng)堆一回路的直徑接近60米，比兩個籃球場加起來還要大。而研發(fā)玲龍一號的任務(wù)要求，一是要“個頭小”，二是要更安全。
玲龍一號之“小”，小在功率和體積。玲龍一號功率僅有華龍一號的十分之一，華龍一號是功率達(dá)到百萬千瓦級的大堆，而玲龍一號是功率為十萬千瓦級的核電小堆，較低的功率降低了核燃料裝載量。此外，與大型壓水堆相比，玲龍一號由于體積小，占地面積較小。更小的功率和體積適配更多的應(yīng)用場景。不僅可以布置在陸地上，還可以布置在海上平臺、偏遠(yuǎn)島礁等，實現(xiàn)供熱供電、熱電聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)壓水堆技術(shù)的多領(lǐng)域多場景多需求應(yīng)用，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供更強(qiáng)勁的動力。
同時，玲龍一號采用的是模塊化建造，通過單個模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、制造批量化生產(chǎn)，降低了制造成本，模塊式小型堆系統(tǒng)簡化、設(shè)備尺寸小、運(yùn)輸方便、運(yùn)行操作更為簡便，創(chuàng)新性的模塊化設(shè)計技術(shù)，可實現(xiàn)工廠組裝和現(xiàn)場安裝，極大縮短了建造周期，并可根據(jù)用戶負(fù)荷需求，靈活組合規(guī)模，滾動開發(fā)建設(shè)，有效降低了模塊式小型堆的投資成本，確保了經(jīng)濟(jì)效益。
除此之外，保證高安全性也是玲龍一號必須要完成的重要課題。玲龍一號最突出的特征是一體化設(shè)計、模塊化建造、高固有安全性和完全非能動的安全系統(tǒng)。事故時通過重力和自然循環(huán)等非能動方式將堆芯熱量導(dǎo)出，實現(xiàn)長期冷卻，上部設(shè)置密封廠房作為二次屏障。安全分析表明，堆芯損毀頻率小于10-8/堆年，大規(guī)模放射性釋放頻率小于10-9/堆年，安全性處于三代核電先進(jìn)水平。
作為清潔能源，核能發(fā)電具有安全友好、綠色低碳、經(jīng)濟(jì)高效等多重優(yōu)勢。玲龍一號發(fā)電功率12.5萬千瓦，建成后年發(fā)電量可達(dá)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(jìn)節(jié)能減排。同時，每臺玲龍一號機(jī)組每年發(fā)電相當(dāng)于減少二氧化碳排放88萬噸，相當(dāng)于植樹造林750萬棵。面向我國“2030年要碳達(dá)峰，2060年實現(xiàn)碳中和”目標(biāo)，安全積極有序的批量發(fā)展核電，可以連續(xù)、穩(wěn)定地承擔(dān)碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)，助力我國深入推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。
“2011年以來，受福島核事故等因素影響，全球核電消費量在所有能源消費中的占比長期低迷，但核能的綜合利用仍有強(qiáng)烈的需求，市場潛力無限。除了電的需求以外，還有大量的能源需求，包括蒸汽、熱水、海水淡化等，這些需求實際上還在非常快的增長。” 宋丹戎說，核能轉(zhuǎn)化的蒸汽可以用于工業(yè)生產(chǎn)，熱水可以用于冬季供暖，海水淡化也有很大的市場空間。玲龍一號一體化的設(shè)計提升了安全性，未來可以布置到離城市、離用戶更近的地方。
玲龍一號與我國百萬千瓦級自主三代核電華龍一號的完美配合，已經(jīng)成為中核集團(tuán)馳騁搶攤海外市場、支撐國家“一帶一路”倡議的“雙龍”。可以預(yù)見，安全智能的模塊式小型堆將推動我國在世界核能領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先、率先突圍，成為中國制造及原創(chuàng)科技品牌又一張靚麗的名片。
