核能開發助推我國核領域技術創新初步實現與世界并跑

毋　濤

(中國核工業集團有限公司 規劃發展部,北京 100822)

核科學技術是核能可持續發展的重要支撐,是推動國家科技發展和綜合國力提升的重要技術力量。加強我國核科學技術研究,對于促進核能事業創新驅動發展、軍民融合發展和綠色協調發展具有重要意義。核能開發科研專項作為國家設立的支持國內相關單位開展核科技活動的重要渠道之一,多年來,充分發揮引領、支撐、促進作用,為提升我國核科技研發整體水平,建設中國特色先進核工業體系發揮了重要作用。

中核集團作為國家核工業主體、核科技創新的主力軍,是國家核能開發科研專項項目的主要申請和承擔單位。中核集團規劃發展部是組織核能開發科研項目前期策劃、組織管理的主要部門,負責組織完成中核集團核能開發科研項目前期策劃及規劃方案編制,確保重點項目、任務納入國防科工局核能開發規劃,負責組織編制核能開發科研項目建議書并上報國防科工局,確保項目順利獲得批復立項后開展實施。

“十一五”以來,中核集團規劃發展部已組織策劃、落實核能開發項目約100項。通過核能開發科研,中核集團對核電與反應堆技術、核燃料循環技術、核安全技術、核技術應用等領域的基礎研究、技術開發和工程研制進行了持續的研發投入,實施了一批科研項目,開展了一系列關鍵技術攻關,獲得了一大批科研成果,核心研發能力大幅提升。

1　核電與反應堆技術取得重大突破

開發具有自主知識產權的百萬千瓦級三代壓水堆核電技術。“華龍一號”填補了我國自主化三代百萬千瓦級核電技術空白,使我國形成了具有國際核電市場競爭力的自主品牌,打破了國外核電技術長期壟斷和知識產權的限制,對保障國家能源安全、落實核電 “走出去”戰略都將產生重大影響。“華龍一號”核電技術充分借鑒吸收國際三代核電技術的先進設計理念和現有壓水堆核電站設計、建造、調試、運行的經驗,考慮了福島核事故的經驗反饋,采用能動與非能動相結合的設計理念,提供了多樣化的手段以保障核電站安全。具備完善的嚴重事故預防和緩解措施,提高了應對外部事件的防護能力。

推動模塊式小型堆研發及示范應用。模塊式小型堆 (ACP100)是一種革新型能源系統,采用完全非能動的專設安全設施,能應對各種極端事件,具有良好的固有安全性,滿足最高安全標準,達到國際先進反應堆技術水平。模塊式小堆具有多種用途,能廣泛用于城市供熱供電、工業園區供氣供電、海水淡化、破冰船、海上船舶動力。

支撐四代先進核電技術研發。通過核能開發支持,掌握了實驗堆規模的快堆設計和建造技術,在反應堆設計、安全分析、堆芯組件、關鍵設備及儀表、鈉工藝及安全、控制和保護、物理啟動、調試等方面突破一批關鍵技術,并基于實驗快堆技術基礎開展示范快堆工程技術研究,在標準體系、安全分析軟件、數據庫、仿真機、先進結構材料、鈉泵和鈉閥、鈉清洗去污工藝、鈉火安全等方面取得成果,支撐示范快堆工程技術發展。

開展超臨界水冷堆核電技術研究,為核能及新能源拓展儲備了前瞻先導技術。通過一系列研究確定了超臨界水冷堆研發的總體技術路線,形成超臨界水冷堆的總體技術方案,為我國超臨界水冷堆的發展指明方向,為后續科研及工程設計奠定基礎。

助推聚變能研發不斷升級。HL-2 A2 M裝置運行參數不斷更新,成功實現等離子體偏濾器位形放電,放電時間6.05秒,電子溫度達到5500萬度,在高約束模物理、磁流體動力學和高能粒子物理、邊沿局域模物理和輸運、有限環擾動等多個聚變研究前沿取得了創新性研究成果。

2　核燃料循環技術實現跨越發展

自主CF系列燃料元件研制取得突破。CF2燃料組件采用國產再結晶Zr-4鋯合金包殼材料,對燃料組件多個部件進行了優化改進,實現了定位格架完全國產化,輻照考驗已經全部完成,堆內表現良好,解決了 “華龍一號”走向國際的瓶頸。CF3燃料組件在設計上充分考慮了三代核電對燃料組件安全性和先進性的需求,其包殼材料采用了自主研發的N36高性能鋯合金,綜合性能與當前國際先進燃料組件相當。四組CF3先導組件于2014年7月在中核運行第二核電廠2號機組順利入堆,開始隨堆考驗,運行狀態良好,標志著我國燃料組件研發重大里程碑的實現。

鈾轉化生產線技術取得突破。掌握了干法鈾轉化技術,解決鈾轉化工程關鍵設備和工藝技術瓶頸,實現了技術的跨越,縮短了與國際先進鈾轉化生產技術的差距,在提高產能的基礎上,進一步改善對生態環境影響 (環境友好性)。

地浸采鈾技術達到國際先進水平。首次建立了低濃鈾溶液化學行為數學模型,提出了大流量低濃度地浸采鈾的新思路;研究了CO2+O2溶浸液配制和使用技術,解決了礦層堵塞的難題;首次實現了吸附工序和溶浸液配制工序一體化;實現了全流程自動化控制,為以CO2+O2綠色地浸工藝為標志的第三代采鈾技術實現規模化應用奠定了基礎。隨著新疆、內蒙古兩個CO2+O2地浸采鈾礦山的建成投產,我國成為繼美國之后全球第二個成功掌握CO2+O2地浸采鈾技術并實現工業化應用的國家。

3　核安全、核應急與輻射防護技術持續改進

輻射監測、輻射防護最優化等技術取得長足進步。通過輻射環境監測系統,實現對核設施廠區空氣、土壤、水資源的環境輻射監測;通過生物樣品中14C測量方法研究,實現低水平環境樣本中動植物的輻射水平監測;研制的閉氣式正比計數器表面污染監測儀、手腳表面污染監測儀等設備,完成輻射廠區人員輻照水平監測;研發完成事故后測量裝置,用于進行反應堆運行、事故及事故后的輻射場的測量。

核與輻射安全管理與評價水平得到提高。針對目前許多內陸核電選址中多出現小風、靜風頻率較高的廠址,進行復雜條件下大氣擴散模型的研究,同時,對大氣擴散因子計算模式的有效性和不確定性進行深入分析和驗證。完成核電站冷卻塔對放射性煙羽的影響研究;液體放射性釋放物質排放數值計算和物模試驗研究;完成核電站非人類物種輻射影響評價模式和環境影響評價篩選模式的研究與應用;開展輻射損害判定技術和方法研究及輻射防護最優化研究,通過工藝系統及設備的調研與輻射防護情況調研、ALARA檢查與現場分析方法的建立與應用、經驗反饋數據庫的建立、最優化定量分析方法及現場應用、最優化程序文件的制定等過程,開發了經驗反饋數據庫軟件。

核應急決策支持研究不斷深入。為適應核與輻射應急工作面臨的新挑戰和新要求,將國內外先進的科學技術應用于核應急準備與響應,以逐步完善我國的核應急技術體系,為核應急決策和核應急響應提供更為有效的技術支持。完成了小尺度風場預測技術與放射性物質彌散數值預報模擬技術、核應急航空監測數據空地傳輸接口技術、放射損傷救治指南及相關技術等研究。

4　核技術應用產業規模進一步擴大

高活度鈷-60放射源生產實現國產化,食品輻照加工應用不斷拓展,醫用回旋加速器商業化樣機研制成功,工業用大功率直線加速器技術取得突破,自主研制多種半導體探測器、爆炸物探測儀、放射性檢查門、多功能安檢門燈探測/檢測設備實現推廣應用。

綜上,在核能開發專項支持下,中核集團突破并掌握了一系列核心技術,搭建了一系列研發平臺,多個領域達到國際先進水平,實現了從“跟跑”到 “并跑”的初步目標,也為我國國防建設、國民經濟發展、科技創新提供了有力支撐。

5　結束語

“十三五”期間,積極響應十九大 “創新驅動”、“軍民融合”等戰略,為新時代中國特色社會主義事業貢獻 “核”力量,為實現中華民族偉大復興的中國夢增添 “核”能量,中核集團將以更大力度推動核能開發科研工作開展,爭取突破更多核能科技領域的核心、短板、關鍵工藝技術,取得更加豐碩成果。