西湖看雨:抢占能源战略制高点

——863计划扶持快堆能源技术发展纪实
发布时间： 2011-03-30  3月10日，北京国家会议中心，“十一五”国家重大科技成就展，一批引领、支撑我国经济社会发展的自主创新成果在这里汇集、展示。　　人山人海中，一座看起来并不起眼、有着多层复杂结构的模型吸引了不少人驻足。这座模型内布满了各种晶体管，管内置放了五颜六色的小灯泡，指示着回路流动的方向。原来这就是代表着未来清洁能源发展方向的最新一代核电技术——中国实验快堆的模型，而裂变链式反应就是发生在这个不大的堆芯中。　　与实验快堆模型同样吸引人眼球的，还有旁边一位满头银霜的老者。对于人们的提问，他总是不厌其烦地讲解，且乐在其中。他就是中核集团公司快堆首席专家、快堆总工程师徐銤。　　对于快堆，徐銤是有感情的。在过去的近74个春秋里，他有近45个春秋是和快堆一起度过的，快堆俨然成了他生命中的一部分。　　对于中国快堆未来的发展，徐銤充满了信心：“发展快堆，不仅对于实现我国核能可持续大规模发展具有重大的战略意义，而且对于我国步入先进能源技术领域也具有十分重要的意义。”　　第一章 向临界出发　　“首先发展增殖堆的国家，将得到原子能方面竞争的利益。”这句著名物理学家费米曾说过的话深深地刻在了徐銤的脑海里。为了站在核电的世界之巅，几代快堆人前仆后继、顽强拼搏，用近半个世纪的追求，谱写了一曲荡气回肠的奋进之歌。　　　　快堆零功率装置实现临界　　1955年，世界和平利用原子能国际会议召开。就是在这次会议上，一种新的核电技术——快堆技术被世界各国所认识。在此之前，美国1946年建造的实验堆Clementin和1951年建成的第一座发电的实验快堆成了世界快堆工程技术发展的起点。　　快堆能够把核裂变燃料增殖出来，这意味着有限的铀资源可以得到充分的利用。对此，徐銤产生了极大的兴趣，他开始对快堆投入极大的热情，只要有空便会跑去图书馆查阅快堆资料，越看越有兴趣——在快堆中的燃料能越烧越多，快堆能充分利用铀资源，更贫的铀矿也值得开采，这样技术经济可将采铀资源扩大千倍；快堆可以嬗变长寿命放射性核素，有利于核废物的处理……　　那个时候，快堆技术也引起了我国领导人和科研人员的重视。徐銤所在的原子能所（中国原子能科学研究院前身）向二机部提出了“中国也要发展快堆技术”的建议，很快得到批复。1965年，我国开始快堆基础科研，原子能所被批准承担预研快堆的任务。周恩来总理亲自特批铀燃料用于快堆零功率装置建设。　　这也意味着，徐銤正式进入了快堆的科研队伍，与中国快堆开始了第一次亲密接触。　　徐銤回忆，那个时候，参与快堆研究的工作人员不足50人，条件十分艰苦。由于缺少必要的研究手段，我国起步之初与国外的发展差距非常大。　　直到4年后的一个晚上，中国第一座快中子零功率装置首次达到临界。　　“1970年6月29日夜里11点，恰好轮到我当值班组长的这个班组值班，我们小心翼翼地一点点往装置里添加燃料，做临界实验。实验室里的人都目不转睛地盯着操纵台上的功率表，当功率不断慢慢增长时，快堆零功率装置实现临界的那一刻，大家情不自禁起立、鼓掌、庆祝。”徐銤说。虽然规模很小，并没有引起很大的轰动，但在当时33岁的徐銤心中，已是热血沸腾。　　863改变了他的一生　　遗憾的是，就在中国快堆研究即将进入一个新阶段的时候，文化大革命爆发了。1971年，出于保密和安全考虑，当时与快堆研究课题有关的１００多名科研人员，搬迁到四川，徐銤也在其中。　　当时，国家经济困难，没有足够的科研经费，加上发展方向和技术路线都不明确，快堆的发展陷入了困境，在四川的山沟沟里，人们几乎看不到任何希望和前途，许多人选择了放弃。　　但徐銤和一批同志坚持了下来，他们对快堆充满着希望和信念。为坚守着这个希望，他们在四川一呆就是16年。　　１９８６年，徐銤迎来了属于快堆的春天。　　１９８６年４月的一天，徐銤在四川接到二机部科技局局长王传英的电话，通知他来北京开会。到北京后，他才知道，那次的会议将决定８６３计划１００亿元的资金投向哪些具体的项目。　　就在一个月前，邓小平同志对王大珩、王淦昌、杨家墀、陈芳允四位科学家关于我国应跟踪世界高技术前沿的建议信函做出重要批示，从而催生了863高技术研究发展计划。当时，专家们对快中子增殖堆这样一种能大幅度提高核燃料利用率、安全性好的堆型发展非常重视，快堆被列入863计划能源领域反应堆主题项目，快堆迎来了期盼已久的一个高峰。　　1992年3月14日，国务院批准863计划能源技术领域的研究发展目标，建成一座热功率65兆瓦的中国实验快堆。4年后，徐銤担任中国实验快堆总工程师。　　以我为主，国际合作　　当时国家863计划有一个宗旨：尽量采用国外成熟的先进技术、不搞重复性研究、减少研制费用、缩短研究周期。　　那个时候的中国快堆研究，基础和经验都十分不足，加上设计起点高，这就要求快堆技术研究人员必须充分利用国外经验，走引进、消化、再创新的道路。　　从1992年开始，中俄双方在中国实验快堆设计建造中进行了全面合作，内容包括概念设计咨询、合作进行技术设计、设计验证实验、设计技术咨询、燃料组件和部分安全设备制造、人员培训等。　　在中俄的合作中，由于经费有限，俄方只提供部分主要系统的技术设计，中方需要自己进行初步设计和施工设计，这对快堆年轻的主工艺设计队伍来说是一个严峻的考验。　　然而，越是面对困难和挑战，人的潜能越是能得到无限激发。　　最终，原子能院快堆设计队伍与核二院出色地完成了初步设计。紧接着，又与核二院并肩战斗继续开展施工图设计，共完成了总体设计、堆芯设计、结构设计、回路系统设计、仪控设计、安全设计、钠工艺设计、反应堆厂房结构设计等8个方面共170多个单项的设计工作，设计文件近5000册。　　“中国的快堆技术实现了许多重大突破”，据快堆工程部总经理张东辉介绍，比如在世界上首次采用了完全设在一回路的非能动事故余热排出系统，通过自然循环带走热量，与世界已建快堆相比，是最安全的一座快堆。　　还比如自主完成了反应堆换料控制系统设计，快堆的换料是在封闭系统中靠遥控自动完成的，经实验验证该设计是先进可靠的；采用了先进的数字化技术，自主完成了计算机监控和主控室设计，大大简化了主控室操作，给操纵员应急操纵带来了极大的方便；堆内的虹吸破坏装置，解决了反应堆顺利工作的问题，这也是世界上第一次采用这样的设计。　　同样让张东辉自豪的，还有核级钠问题的解决。“快堆所需要的钠要高度提纯，平时工业钠不能满足需求。如果我们通过购买则成本太高，于是原子能院通过一步一步研究，最终在内蒙古建立了工业级的核级钠生产基地，大幅降低了核级钠的成本，为大规模推广技术打好了基础。”　　“通过项目实施，我们获得了多项技术创新成果。目前已获得专利授权89项，取得各类成果125项。预计最终将获得专利150项，成果200多项。”张东辉说。　　严格的反复论证　　中国实验快堆，作为我国第一座快堆，从一开始就注定了它曲折艰辛的道路。　　“快堆的历史一波三折，历尽坎坷，有各种各样的原因，比如最初国家国力不强，经济条件不足，同时对能源的需求也不一样，而最重要的因素就是这是一个自主创新的重大项目，每一次自主创新，道路从来都是不平坦的，这条不平坦的道路如果不是亲身经历很难体会其中的坎坷。”张东辉坦言。　　他至今还清楚地记得“反复磨合”的那一幕。　　按照节点计划，堆容器要在2006年4月进行压力试验。而就在3月底，问题又一次出现了。　　据张东辉回忆，当时是中国第一重型机械集团（简称一重）承担着堆容器的制造任务。有人把堆容器及堆内构件、旋塞的难点风趣地概括为：个大、皮薄、馅多。个大是指体积庞大，高12米，直径8米，重1100多吨；皮薄是指堆容器壁厚仅为25毫米；馅多是指堆内构件繁多，900多种零部件，单堆内构件的重量就高达700多吨。而堆容器是核安全一级设备，技术要求高，结构复杂，制造和安装难度大，加上这在国内尚属首例，没有任何经验可以借鉴，困难显而易见。　　就在堆容器完成主容器最后一道20多米的环焊缝进行检查时，X光片显示焊缝有异常，但没有人说得清这是为什么。人们的心情跌到了谷底，每个人顶着巨大的压力。　　最后，一重和原子能院达成高度一致：返修！定位、打磨、补焊、照相，一圈下来，96个位置，一个位置两张片子，一张垂直，一张斜拍。所有部位编号，制定了不同的返修方案。　　工夫不负有心人，2006年6月，第一次性能试验一次成功，证明了我国首次制造出的堆容器是高质量的，这让连续作战的人们露出了久违的笑容。　　一年之后，堆容器第二次压力试验和气密性试验，2007年6月28日3点45分，试验一次成功！　　当俄罗斯专家得知这一切时，不由自主地称赞说：“你们是好样的！”并向其政府推荐邀请一重参加俄罗斯BN800快堆电站的建设。　　安全摆在第一位　　据了解，在实验快堆的安全论证过程中，工作人员曾考虑到了许多细节问题。比如快堆采用的是液态钠作冷却剂，液态金属钠与水相遇会产生剧烈的化学反应；钠与空气接触就会燃烧；而钠中含氧量超过一定量会严重腐蚀系统内结构材料……　　“如同搭积木与盖房子的关系。实验性的反应堆是小户小灶，容易一些，但要把它变成一个工程，难度就不只成倍增加那么简单了。”徐銤介绍，工程一开始，困难就接踵而来。　　由于快堆堆芯功率密度高，钠液出口温度高达530摄氏度，技术比较复杂，为保证快堆运行的安全可靠，在与俄方谈判时，徐銤坚持采用了非能动余热导出系统的方案，确保在任何工况下反应堆内余热的导出。　　2008年底，中国实验快堆进入了紧张的集中调试阶段，这是全面检验设计、设备制造和安装施工质量的关键环节。　　徐銤介绍，调试阶段包括系统升温之前的冷态调试和升温后的热态调试。由于钠的熔点为97.8摄氏度，为保证钠在液态下使用，堆系统必须加热到250摄氏度，在250摄氏度高温下的热态调试是对系统和设备整体性能的全面检验。　　“系统灌钠之后的热态调试，任务是最艰巨的，因为钠有其特有的‘脾气’，一旦没有按钠的特点行事，往往就会导致实验失败。”徐銤说。　　据张东辉介绍，为了顺利完成调试任务，原子能院做了大量的准备工作。早在2001年，便开始进行调试和运行的准备工作，其中包括主控室运行人员的培训。不但建立了调试阶段的组织体系和质量保证体系，制定了调试阶段的质保大纲和相关程序，还建立了岗位责任制和日协调、周协调的例会制度，用最先进的管理软件制定调试进度计划并进行动态管理与协调，等等。　　2008年12月，在完成约152项单系统调试试验之后，综合冷态调试开始，目的是验证系统和设备的功能，获取初始运行数据，检验相关联系统的相容性，以及排除安全隐患等。　　2009年4月，热态调试全面展开，依次进行了一系列调试工作，包括用气体对堆本体加热，将钠灌入一、二回路，启动一、二回路钠循泵并达到稳定运行，使一、二回路之间达到热平衡状态，在热态下进行换料系统调试，将启动中子源装入堆芯，对核测系统调试，在启动中子源下整定保护系统参数等333项试验。截至2009年8月，反应堆装料前的调试任务全部圆满完成，并在9月取得了国家核安全局颁发的首次装料许可证。　　“快堆的安全性、可靠性和经济可接受性，已得到国外丰富的快堆实践和应用经验的证实。”徐銤说，半个世纪以来，世界上已有美、俄、英、法、日、德、印7国建成过21座快堆。作为第四代先进核能系统中最重要的堆型之一，在美国等国提出的先进核能系统中，6种堆型有3种是快堆。　　徐銤还介绍说，安全是核电站的首要要求。中国实验快堆的设计首先强调了固有安全性，所有反应堆反馈都设计成负反馈，保证了在所有异常情况下反应堆能够自行稳定；同时设计了非能动事故余热排出系统；一回路采用池式设计，可以有效缓解事故后果。另外，实验快堆上还采用了大量双层容器、双层管、备用系统设计等安全措施。安全分析结果表明，即使在所能想象的最严重的事故情况下，厂外人员和环境也不受影响。　　首次达到临界　　2010年7月21日，中国实验快堆主控室。　　空气仿佛被凝固了一般，整个世界只留下了一种声音：滴-滴-　　等待临界时刻的过程是那么漫长，似乎要比人们预计的漫长很多。　　最后的几十分钟，2号调节棒被提升至180毫米、220毫米、230毫米……人们的心被反复提起又放下。　　不知不觉间，那个提示临界时刻即将到来的声音已经越来越急促，直至它几乎抖成一条直线，压迫得现场每个人的心脏几乎无法承受之时，物理启动组核实的最后一组数据终于交到值长的手中。　　9点50分，源量程周期稳定在100秒达两分钟后，中国实验快堆正式宣布首次实现临界！　　那一刻，原子能院原院长赵志祥的眼睛湿润了；那一刻，快堆总工程师徐銤和快堆专家、清华大学教授王洲两位年逾古稀的老人的手紧紧握在了一起；那一刻，很多人的眼泪都没能忍住。　　中国实验快堆的首次临界无疑标志着中国四代核电生命的源起。中国由此成为继美、俄（苏）、法、英、日本、印度、德国等7个国家后第8个建成快堆的国家。　　“作为我国第一个快中子反应堆，作为列入国家中长期科技发展规划（2006—2020年）的前沿技术，作为国家863高技术发展计划的重大项目，中国实验快堆的首次临界和基本建成，对我国‘压水堆—快堆—聚变堆’核能‘三步走’发展战略实施和核科技创新具有重要意义。”中国核工业集团公司党组书记、总经理孙勤表示。　　第二章 为核电事业奠基　　1995年，时任国务委员兼国家科委主任的宋健曾这样强调我国发展快堆的重大战略意义：“快堆要马上立项，就是堆没有建成，为国家培养并保持500人的快堆技术队伍也是完全值得的……”事实证明，他的远见是正确的。建成后的中国实验快堆，将为我国快堆进一步发展积累经验，培养人才，同时也将为我国快堆燃料、材料和设备考验以及新工艺技术研发提供设施条件。　　　　赔本的生意值得　　作为一重的副总，吴生富当然希望自己的公司做生意能赚钱，但并不是每笔生意都如此。　　吴生富还清楚地记得，当时实验快堆项目可批的经费并不多，但当一重拿到中国实验快堆堆容器及旋塞这个项目时，他有一种油然而生的自豪感和责任感，这个项目，不仅仅是国家的一次历史性突破，也是一重的一次历史性跨越。　　一重接手实验快堆相关项目的合同款只有1.13亿元。1.13亿元，看起来似乎并不少，但是吴生富心里有底：按当时的国际市场原料价格来看，仅从国外定购钢材就得花掉一大半。但他很快拍板，咬着牙把这活揽了下来。　　“研制快堆碰到的最大困难就是经费不够。最初的实验快堆经费都是按照国外的经验来估算的，但是原材料涨价了，实际上的制造费用很高。”徐銤说。　　2001年11月30日，制造合同的签字仪式在北京西苑饭店举行，合同总额1.13亿元。而事后，一重仅从国外定购钢材就花掉了8000万。在经费十分紧张的情况下，一重不看一时的经济效益，以大局为重，垫付经费支撑着这一项目。　　2003年，一重开始零部件加工，问题接踵而至。堆容器精度要求极高，一重不惜代价大量采用数控机床；为了解决不锈钢焊接变形严重的问题，单是工装就做了不下百种；在直径8米的两个大支撑环上，实现了材料的突破……在旋塞的制造中，解决了旋塞的精度，使小旋塞下去抓燃料组件的精度达到2毫米，超过了4毫米的技术指标要求……　　那个时候，对于一重而言，不再是简单的生意场上的盈或亏，而是崇高的国家荣誉感和强烈的社会责任感驱使着这群快堆人，一定要把工程做好。　　而今的事实证明，吴生富的选择是对的。通过与原子能院合作参与快堆的制造，一重掌握了快堆核级关键设备设计制造技术，培养了一批技术过硬的科研和技术队伍。　　“快堆的研发和制造，不仅仅对我国的核能技术发展、实现能源的可持续利用与发展具有重大意义，而且与此同时，所积累起的建设快堆经验，拥有的自主创新关键技术，培养出的快堆专业人才，都是一笔宝贵的财富。”中国实验快堆工程部原总经理、现任原子能院院长万钢如此评价。　　不仅仅是一重，在研制过程中，原子能院还与上海电气集团的第一机床厂和大连宝原核设备有限公司等企业联合，成功实现了全自动换料，突破了快堆复杂系统设备集成的技术瓶颈。而与中核北京核仪器厂等企业联合，研制出的中国实验快堆核测、控制与保护系统，提升了我国反应堆控制系统设计和制造水平。与兰太实业公司联合建厂，大规模、高质量制备核级金属钠，促进了钠工艺技术从实验室走向工业化。与中核建设集团的二四、二三公司联合，自主完成了建筑和安装，在快堆大体积厂房建筑和钠系统安装技术等方面取得了充分积累。这也为他们参与下一步示范快堆电站建设奠定了坚实基础。　　痛并快乐着　　如果要问快堆人，对于快堆研究到底倾注了多少心血，流过多少汗和泪，没有人说得清。但可以肯定的是，快堆于他们一定是自豪的、深刻的，并且是充满激情的。　　乌海, 内蒙古一个类似于荒漠的地区，亚洲最大的工业钠生产厂——兰太集团乌海钠厂就在那里。这个地方让快堆工程部钠工艺室的禹春利终身难忘。　　在那里，他度过了最忙的一年，也就是那一年，他的小孩出生了。当时禹春利母亲的身体十分不好，照顾家庭的重任完完全全落在了70多岁的老父身上。　　“我爱人怀孕八九个月的时候，她就走不动了，我的老父亲就每天骑着三轮车到车站接送她。”说到这些的时候，这个硬铮铮的铁汉哭了。　　平时的禹春利，口里除了说工作还是说工作。“在乌海的时候，我们白天做实验，晚上看资料，连续调试了20几天，终于搞出来了。”　　“当最终分析的钠指标合格时，是我最高兴的时候，觉得付出的所有代价都值了。”禹春利说，“在乌海数年经历的一切让我看到了自主研发之路的艰难，尤其是像快堆这样一个庞大的工程。通过这次经历，让我更加坚信，中国人能够搞好快堆，快堆的事业会更加辉煌！”　　禹春利只是无数为快堆事业前仆后继的快堆人中普通的一员，然而正是这样一个又一个无私奉献的普通人，铺就了我国攀登世界核能之巅的道路。　　“快堆是国家核心竞争力的体现，也是长远战略发展的需要。快堆是核能的高级阶段，而核能本身就是个知识密集、人才密集、技术难度很大的学科。”张东辉说。　　为拿下这个学科，原子能院快堆工程部采用了一体化作用方式，从研发、设计、建造、安装、调试、试运行，都是一批人。这批人能够了解快堆建造的全程问题，也可以从根本上解决问题。“一开始研发就按照课题方式组织队伍；到了工程时期就按照工程要求组织队伍；运行阶段就按照运行要求组织队伍……这种组织方式可以最大限度地弥补经验不足的问题。良好的组织对大的科学工程来说也非常重要。”张东辉说。　　如今，原子能院的快堆研究队伍已超过400人，73%为大学本科以上学历，1/3为高级研究人员，并且这个数字还在以每年10%左右的速度递增。这样一支结构合理的人才队伍为今后中国的快堆之路奠定了坚实的基础。　　第三章 抢占能源制高点　　如果说，最初我国决定发展快堆技术是为了追赶科学技术进步的脚步，在世界先进技术领域占领一席之地；而今要发展快堆技术，则是为了应对日益严峻的能源危机，走能源可持续发展的道路。　　　　更少的铀更多的电　　随着经济社会的发展，世界各国对能源的需求也不断增长。据了解，目前全球的铀矿探明经济可采储量达４７０万吨，可供人类使用约６５年。随着我国核电建设的推进，未来铀矿需求将明显增加。如果缺乏充足的铀矿资源支撑，难免不会再现在原油、铁矿石资源上受制于国际矿商的窘境。　　因此，“政府要求要从各种反应堆里找到一种新的能大幅提高能源利用率的堆型，可以保持核能可持续发展，最后我们发现的就是快堆。”徐銤说。　　“当前我国选择的压水堆核电堆型对铀资源的利用率只有约1%，而快堆可以将铀资源的利用率提高到60%—70%，使裂变核能成为几乎不可耗竭的能源。”据徐銤介绍，快堆的一个重要特点就是：在消耗核燃料的同时，又产生多于消耗的核燃料，实现核燃料的增殖；同时可以将压水堆乏燃料中存在的长寿命放射性废物当作核燃料烧掉，更为安全环保。　　“如果快堆与压水堆匹配发展，并将封闭的核燃料循环发展起来，核能便可成为我国一种可大规模发展的可持续能源。”徐銤说。　　“1公斤铀235裂变产生的能量相当于2700吨煤燃烧释放的能量，风能50平方公里才能顶得上1个核电站……从整个生产链的能量消耗包括排污后处理等来看，核能的二氧化碳排放是最低的，太阳能、风能等都比它高。”对于核能，徐銤情有独钟。　　加快产业化步伐　　“经过多年的工作研究，我们掌握了快堆绝大部分技术，具备了商用化的基本条件，有了一整套技术、人才和基本配套的工业体系和工业链。现在的目的就是市场化和商业化，不能停留在纸上。”同时兼任快堆产业化技术创新战略联盟理事长的万钢表示。　　“科学研究可以在实验室里，产业化就要和各界联盟，因此我们成立了快堆产业化联盟。”据徐銤介绍，产业化联盟就是要把国内参与过和希望参与快堆工作的一流的大学、科研院所、工厂、设计院、工程公司、业主等联合起来，把快堆整个产业链从研发、设计、加工、安装、开发、交付运行等联系起来，带动国内技术进步、拉动GDP增长。　　“根据国家战略，适时推广商业化项目，拥有自主知识产权后，我们也可以出口技术，放眼全球来实施产业化。”兼任快堆产业化技术创新战略联盟秘书长的张东辉说。　　据徐銤介绍，近两年，世界核能和快堆出现新的发展势头。欧洲国家对核能的优势重新进行了评估。美国代表在ＩＡＥＡ快堆工作组会上表示要考虑建造新的核电站，发展增殖快堆。目前世界上一些国家提出的第四代核电先进堆型，有三种类型属于快堆型，其中包括与中国实验快堆堆型相同的钠冷快堆。可以预见，世界常规能源供应形势的越来越严峻，将会推动核能的发展，推动增殖快堆的发展。　　根据中国工程院2月28日在北京发布的《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究》报告，到2020年、2030年和2050年，核电总装机规模将分别达到7000万千瓦、2亿千瓦、4亿千瓦，核电装机占电力总装机比重分别为4.6%、10%、16%，核发电量占总电量比重将分别达到7%左右、15%、24%。　　按照我国快堆的发展战略设想，我国将在目前建成的中国实验快堆基础上，依靠项目研发、设计和建造形成的设施、技术和人才，继续开展下一步商用快堆技术的研发。