2020年10月21日15時09分，作為國家名片之一的“華龍一號”全球首堆——福清核電廠5號機組反應堆首次達到臨界狀態(tài)，這是“華龍一號”全球首堆帶核運行的關鍵一環(huán)和重要起點，福清核電廠5號機組就此開啟了嶄新的篇章。

反應堆臨界，就在轉(zhuǎn)瞬即逝的一瞬間，但就在這短短一瞬間背后，是中國核動力研究設計院“堆芯人”們二十年的心血與汗水，是他們對創(chuàng)新探索的持續(xù)追求、對核動力事業(yè)滿腔的熱忱。

「自主創(chuàng)新』

攻克177堆芯建模難題

二十年前，核動力院秉承著“自主創(chuàng)新、勇攀高峰”的院訓，提出了自主化百萬千萬壓水堆核電機型，其重要標志為177堆芯，即反應堆堆芯裝載177盒燃料組件。

全新堆芯概念的提出，也意味著會帶來了許多全新未知的問題，這些問題就落在了設計所一室科研人員身上。設計初期在某次校對組件燃耗和堆芯燃耗時，研究人員發(fā)現(xiàn)這兩組數(shù)據(jù)存在明顯不一致。受限于當年的科研條件，為了找出原因，他們將海量的反應堆堆芯計算文件統(tǒng)統(tǒng)打印出來逐項人工排查。經(jīng)過巨大的人力和時間投入，最終，科研人員在堆滿整個房間的計算紙中鎖定了不起眼的兩排數(shù)據(jù)，確定問題集中于堆芯圍板反射層計算參數(shù)的設置，也因此，通過解決堆芯反射層的計算問題攻克了177堆芯建模難題。

「獨立自主」

解決燃料管理高燃耗

相比于之前的157盒組件堆芯，177盒組件堆芯就好像是將原157格的棋盤格擴大了20格。這個創(chuàng)新看似簡單，其實卻很復雜。在充分考慮熱量傳遞、燃料富集度等組件之間相互制約的因素后，還要能提升堆芯性能，并不是一件容易的事情。

為此科研人員花費幾年的時間進行全力攻關，探索可行的燃料管理策略，終于拿出了可行的初步方案，通過了國內(nèi)頂級專家評審。早期進行的初步燃料管理策略設計時，關鍵參數(shù)之一“組件最大燃耗”的上限值直接參考了較高標準。然而為了獲得更大的安全性，國家核安全局批準的該限值更低。

面對即將來臨的施工階段，科研人員不得不推翻幾年的設計心血進行重新設計。而組件最大燃耗與堆芯的另一個關鍵參數(shù)“核焓升因子”基本上是此消彼長的關系，想要獲得一個二者皆低于限值的、經(jīng)濟性和安全性皆優(yōu)秀的方案實在是難上加難，尤其是中心組件的燃耗很容易超過限值。此外，物理作為堆芯設計的上游專業(yè)，堆芯裝載方案的改動牽一發(fā)而動全身，為了盡量減小對下游專業(yè)的影響，也不能對堆芯做出大幅度的改動。

這項工作就像是帶著鐐銬過獨木橋，需要在參數(shù)的平衡間找到最優(yōu)的布置方式。科研人員頂著“不許失敗、不許超限、不許延期”的自我要求和壓力，迅速攻關，在短短一個月時間的時間內(nèi)，就拿出了新限值下的方案論證，在堆芯裝載方案沒有顛覆性調(diào)整的情況下成功地將組件最大燃耗降低到了限值以內(nèi)，在安全性、經(jīng)濟性和對下游專業(yè)的影響下取得了完美的平衡。

「勇攀高峰」

突破堆芯在線監(jiān)測關鍵技術

反應堆堆芯是“華龍一號”的心臟，時刻監(jiān)視堆芯運行情況是確保“華龍一號”安全、經(jīng)濟運行的前提。開發(fā)第三代堆芯在線監(jiān)測系統(tǒng)，立足于堆芯內(nèi)部固定的探測器測量信息重構堆芯內(nèi)部物理場分布，實時在線監(jiān)測堆芯運行狀態(tài)，是“華龍一號”研發(fā)的重要內(nèi)容之一。在線監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)沒有基礎，軟件系統(tǒng)構架、物理模型建立、探測器選型、信號延遲處理、探測器布置、功率拓展……面對一個個問題，研發(fā)團隊從零開始，一步一個腳印，憑借自己的智慧硬是從無到有完成了系統(tǒng)構架、模型建立和軟件系統(tǒng)的開發(fā)。驗證結果表明，該系統(tǒng)具備國際同類型軟件相同的精度。

“華龍一號”選取的堆芯探測器，是在綜合研究了國際主流的三代核電站的探測器使用情況并結合了“華龍一號”自身設計特點后，選取的一款最適合的探測器——銠自給能中子探測器。該探測器最大的問題是信號較反應堆實時中子通量情況有延遲，如果不消除信號的延遲，很難確保監(jiān)測系統(tǒng)的實時性。研究人員為了突破延遲消除技術，經(jīng)過了數(shù)年的集智攻關，突破了探測器延遲消除系列關鍵技術，性能指標與國外技術所能達到性能指標幾乎一樣，解決了在線監(jiān)測系統(tǒng)堆芯內(nèi)部信號實時性的問題。值得一提的是，探測器延遲消除技術，國外經(jīng)歷了幾代人的研發(fā)積累和幾百堆年的運行經(jīng)驗，而達到同類技術指標，研究人員在毫無經(jīng)驗積累的情況下，自主創(chuàng)新，從研發(fā)到測試再到應用，僅用了5年時間。

「未雨綢繆」

夯實物理試驗數(shù)據(jù)精度

“華龍一號”全球首堆采用177堆型，后續(xù)零功率物理試驗和升功率物理試驗將用于檢驗實際建造堆芯和理論設計的一致性以及物理設計軟件的準確性。同時，這些物理試驗參數(shù)也是電廠安審驗收及繼續(xù)運行的依據(jù)，只有按照既定的試驗程序，一步一步地確認驗收之后，反應堆才能繼續(xù)運行并提升功率。

為達到福清5號機組的順利啟動并按計劃開展各項試驗，盡快達到商業(yè)運行的目標，需要避免出現(xiàn)試驗結果不滿足驗收準則的情形。鑒于此，設計團隊人員未雨綢繆，對試驗程序、分析軟件和啟動物理參數(shù)等進行了多方面的優(yōu)化和核對工作。針對試驗的各項程序，在認真學習和吸收以前成熟反應堆啟動物理試驗程序良好經(jīng)驗的基礎上，結合華龍一號177堆型及系統(tǒng)設置的特點，有針對性的設置試驗的內(nèi)容和合理的試驗項目的執(zhí)行順序，團隊人員精益求精，不斷優(yōu)化升版試驗規(guī)程。

 

其次，為進一步確定所采用分析計算軟件的適用性和計算精度，也周全地考慮了多種方式予以驗證。一方面，充分利用已運行反應堆的實測試驗數(shù)據(jù)對分析軟件進行回歸測驗，以保證計算軟件的建模方法和使用是合理和準確的;另一方面，也積極利用國際上成熟的相關軟件對華龍一號首堆堆芯進行物理建模、計算各項啟動物理參數(shù)并與我們的試驗參數(shù)結果進行深入的對比，分析各項偏差的原因，以充分佐證啟動物理參數(shù)的合理性和準確性。針對啟動物理試驗參數(shù)，也是幾易其稿，比如采用了燃料組件成品的實際燃料富集度等，使得預測計算堆芯模型盡量保持與實際建造堆芯的一致性，以提高啟動物理參數(shù)的準確度。物理設計人員殫精竭慮，在項目總師、專業(yè)副總師們的帶領下，團結協(xié)作、集思廣益、未雨綢繆，為實現(xiàn)首堆安全啟動和物理試驗的順利開展積極貢獻應有的價值。

「高度重視」

精兵強將為現(xiàn)場保駕護航

如今，“華龍一號”已成為中國“一帶一路”上的一張重要名片，是我國六十五年核工業(yè)發(fā)展歷程上的一顆璀璨明珠，是我國核電創(chuàng)新發(fā)展的重大標志性成果，對于我國實現(xiàn)從核電大國向核電強國的歷史性跨越具有重大意義。反應堆首次臨界，是反應堆生命周期內(nèi)最重要的關鍵節(jié)點之一，特別是作為“華龍一號”首堆的福清5號機組反應堆的首次臨界，承載了非凡的歷史意義。

為保障“華龍一號”全球首堆臨界試驗，核動力院積極響應集團黨組“決戰(zhàn)一百天，決勝十三五”的動員倡議，按照院所工作部署和現(xiàn)場試驗計劃，組成了現(xiàn)場、遠程兩支隊伍。核動力院設計所一室主任陳長帶領資深技術人員劉曉黎和唐霄作為現(xiàn)場技術支持組奔赴福清與現(xiàn)場調(diào)試人員一同倒班，主設人劉啟偉、李向陽、李天涯與陳亮、肖鵬、鐘旻霄、廖鴻寬和蔡云等骨干設計人員在華陽辦公點24小時待命給予理論計算支援。最終，21日15時09分福清核電廠5號機組反應堆首次臨界成功，堆芯臨界硼濃度設計值與實測值符合非常好。這在2020年這充滿挑戰(zhàn)更是充滿機遇的一年中，又樹立了一座不平凡的里程碑。

“華龍一號”反應堆的設計凝結了幾代核動力人的心血和努力，解決了一項又一項核電關鍵技術“卡脖子”的問題，使我國從技術引進國變成技術輸出國，實現(xiàn)了我國自主三代核電技術突破，是當之無愧的“大國重器”和“國家名片”。成功臨界后，核動力院將積極參與并支持后續(xù)物理試驗，繼續(xù)為福清5號保駕護航。

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