核摇篮孕育华龙雏形

王敬东 朱向军

“中国核动力工程的摇篮！”这是1997年，时任国务院副总理的吴邦国为中国核动力研究设计院的题词。作为“摇篮”，必有它的“神秘”和“高贵”之处。

龙潜深渊，必会翔飞于天。经过数十年的奋斗，2014年，中国核电品牌——“华龙一号”，终于横空出世！

“华龙一号”的命名，源于中国核工业集团有限公司2011年推出的“龙腾计划”，即通过自主创新实现我国核工业技术、装备和整体能力的提升，到2020年使我国核能创新水平达到或超越世界水平。国家领导人说，中国核电是响当当的“国家名片”。“华龙一号”的研发历程漫长而曲折。

中核集团核动力院是我国集核反应堆工程研究、设计、试验、运行和小批量生产为一体的大型综合性科研基地。自1965年建院以来，先后自行设计、建造了我国第一代核潜艇陆上模式堆、第一座高通量工程试验堆、第一座脉冲反应堆以及岷江堆和两座零功率装置等6座核设施，被誉为中国的“堆谷”。

在50多年的建设过程中，已经形成包括核动力工程设计、核蒸汽供应系统设备集成供应、反应堆运行和应用研究、反应堆工程试验研究、核燃料和材料研究、同位素生产和核技术应用研究等完整的科研生产体系，成为国家战略高技术研究设计院。核电站核岛的设计，一直是核动力院的强项。

来到核动力院的前身，四川夹江县九O九基地总部，一幢青石灰瓦的四合院映入眼帘，这座奇特别致的口字形二层小楼，墙体全是从附近的青衣江捡来的鹅卵石形成的“石打垒”，似乎向来访者诉说着往日创业的艰辛。彭士禄、赵仁恺、周永茂、王俊崇、孙玉发、周邦新6位院士图文并茂的宣传标牌在院中一字排开，这些核工业的院士似乎在静静地守护着他们曾经的创业基地。

业内人士熟知，核电站新堆型区别于老堆型的核心，即堆芯设计。此前，国内在役和在建核电厂的堆芯燃料，由121个或157个燃料组件构成。其不足之处在于：由于没能较快实现电站的长周期换料的目标，电厂运行的可利用率没有很好地提高，经济性还有进一步优化的空间。

为突破西方157堆型限制，1997年，核动力院张森如团队提出了177堆芯新概念，意在提高堆芯额定功率同时，降低平均线功率，既增加核电厂发电能力——反应堆的发电能力不仅在同等条件下增高了5%以上，而且提高了核电运行的安全裕量。

核电功臣张森如，绝非徒有虚名。1965年，张森如从清华大学工程物理系反应堆专业毕业后，先后在二机部二院、15所、715所和核动力院工作，担任研究员高级工程师、博士生导师和清华大学的兼职教授;1993年荣获政府特殊津贴，2003年当选为四川省学术和技术带头人，2004年被国防科工委、核工业集团公司授予“劳动模范”称号。张森如似乎平生就与“核”有缘，他的梦想是能亲自设计建造中国的核电站。他是科学的探险者，一个为实现梦想而拼搏的奋进者。

1987年12月，我国第一座自主设计、建造、运营、管理的大型商用核电站——秦山二期60万千瓦核电站工程设计任务，采用招标竞争方式确定承包单位。核动力院以较大优势在反应堆及主冷却剂系统设计标段中中标。

但勝利的喜悦并没带来好运.初期的设计一度陷入窘境。由于核电站的设备实施多国购买，有关方不能提供设备参数，原本留给该院一年多的设计时间被耽误;大量设备接口不规范且协调量大，计算工具少，加上参考大亚湾设计，三个环路改为两个，大量参数要重新计算，导致设计图纸远远跟不上现场施工进度。

紧急中，院领导决定，选拔一位既熟悉秦山二期核电设计情况，又具备较强管理能力的人担任副院长兼第一项目负责人。张森如成了不二人选。张森如从1990年开始参加秦山二期的设计工作，曾担任核动力院设计所6室副主任、主任、副所长，1994年担任所长兼秦山二期核电第二项目负责人。在科研设计和管理上，以敢于创新、严于管理著称。

走马上任后，面对如山的重任，他心里沉甸甸的。对反应堆及主冷却剂系统和控制仪表系统的设计、科研和管理一番调查摸底后，他很快提出了6条硬措施。各项工作迅速走上程序化、正规化和标准化的道路，设计和科研工作紧张有序地进行着。

1号机组一回路水压试验顺利完成;1号机组汽轮机首次非核蒸汽冲转获得成功;1号机组首次达到临界，硼浓度测试值达到国际先进水平;1号、2号机组成功并网发电等喜讯相继传来。

张森如脸上露出了欣慰的笑容。核动力院所承担的反应堆及主冷却剂系统、仪控系统的设计，没有影响现场施工和调试运行的开展，展示了该院自主设计的能力和水平，为我国百万千瓦级核电站的设计积累了经验。

控制棒驱动机构是反应堆唯一的驱动设备，是核电站的关键设备之一。它直接控制着反应堆的启动、功率调节及安全停堆，对反应堆的运行和安全起着至关重要的作用。

可样机在上海试验时突发意外，控制棒驱动机构在提升和下降时打滑，不按预定的速度运行。经仔细分析、核对，认定错不在样机，而是试验装置问题。张森如当即决定，利用核动力院的试验装置重新试验，以证明样机可靠并具有高性能。试验很顺利，掉棒试验也做得相当漂亮。当跑到300万步时，试验成功，可以圆满结束了。因为秦山二期的技术要求只有280万步。

但此时，张森如却做出了出入意料的决定：继续试验！参试的人员都愣住了，有的当即投了“反对票”。张森如是想一举两得。

试验中，他发现整个试验结果，波图和受力情况超乎想象得好。凭着理论功底和实践经验，他感觉还能跑相当长的时间，但究竟能跑多少，他心中没底。而当时，核动力院正进行国家“九五”科技攻关项目——先进压水堆控制棒驱动机构的科研。眼前的试验如果继续做下去，不仅可检验秦山样机的性能，也能在节约经费的前提下，完成本所的科研任务。

但这事要冒很大风险。一旦失败，不仅完不成国家所托，还得重新做工程样机，既延误了工时，还会让业主对控制棒驱动机构的技术性能和质量产生怀疑。

张森如调动人马夜以继日地继续试验，连春节也在试验室里紧张忙碌。4个月后，数控装置上的读数已接近800万步。闻讯赶来的国家核安全局和核电秦山联营公司的专家们，也目睹了奇迹的发生。

“到了850万步了，850万步！”人们惊呼。

秦山二期在诸多方面是参考大亚湾核电站的，后者是依靠蒸汽锅炉提供非核蒸汽。前者是否也要采用这种方式进行汽轮机冲转试验？当时颇有争议。为此，提出了两个方案：一是效仿大亚湾，在工地旁建一锅炉;二是核动力院设计的一回路水的单位功率容积比大亚湾的大，蒸汽发生器二次侧的容积也较大，有可能采用稳压器电加热和主泵运转产生蒸汽，在蒸汽发生器二次侧憋气，实现冲转，这可节省100多万元建锅炉的费用。

张森如让技术人员仔细计算和充分论证，得出热量平衡的结论。他是热工水力瞬态分析专家，凭着多年的经验，他再次冒着拖延工期的风险，大胆决定：采用第二个方案。试验取得圆满成功！

从1997年开始，核动力院就自主创新，提出使用177堆芯。十几年来，从来没有放弃过对自主知识产权的177堆芯的研究。正是凭着这份坚守，张森如和他的团队完成了一系列关键基础技术攻关。综合经济性与安全性考虑，最后敲定了“177堆芯”方案。申请专利时，专家评审组认为“做得很好”。

术有专攻，业有传承。“华龙一号”前身的后续研发，副总设计师刘昌文同样功不可没。刘昌文1991年从上海交大毕业就到核动力院设计所工作，1996年，张森如带着他开始研发CNPIOOO，这就是“华龙一号”最早的雏形。

核动力院的设计所是几个主体所中的“设计龙头”，也是人才最集中的地方，清华、交大学子云集，孙玉发、于俊崇两位院士，以及许多院领导都出自这个所，包括核动力院现任院长、中国工程院院士罗琦。

当时核动力院还没有搬迁成都，在那栋位于山沟里的老基地办公楼，张森如带着他们一起讨论“177堆芯”方案。张森如是从技术岗提拔为行政领导的，因此他对技术钻研得很深，但这一点也不影响他的思想开放，既不官僚，也不唯技术、唯经验。最初搞第四代堆型时候，选中了超临界水冷堆技术，但是在敲定技术方案时有争论，是用压力管式，还是压力壳式？最初，包括张森如在内的大多数专家都支持压力壳式，因为这是传统技术，成熟、可靠，对核电来说，成熟技术非常重要，意味着可以避免很多风险，少走很多弯路。

张森如自己带着问题去调研，查阅了许多资料，发现压力管式的确实具有诸多优点，既然是作为第四代技术的研发储备，可以大胆探索，采用更好的技术。于是他带领着一帮年轻的技术人员，开始了压力管式超临界水冷堆技术的研发。

CNP1000方案提出后，经过两年的各专业论证，得出了一个初步设计方案，1999年上报中核集团，获得普遍好评。他们的方案里，不仅有“177堆芯”，还有非能动技术，这是核动力院早在20世纪80年代末就提出的核安全技术。

随着中国经济的高速发展，沿海用电量骤增，核电迎来发展的春天。2006年开始，我国陆续引进外国技术，包括美国的AP1000技术、法国的EPR技术、俄罗斯的VVER1000技术、加拿大的CANDU堆等，全球核电巨头都纷纷在中国核电市场分得一杯羹，占领了当时绝大部分拟建的核电厂址，甚至有些技术在他们自己的国家都没有建起首座示范堆，就跑来中国的土地上开建。可中国的百万千瓦核电技术却四处碰壁，无人问津，一个核电厂址也落实不了。刘昌文他们很着急，却一点办法也没有。

2008年，中核集团果断出手，部署再做一个百万千瓦核电技术，仍由核动力院牵头设计。毕竟距离177堆芯提出已经有10多年的时间了，全球核电技术有了许多进展，应该及时学习吸收这些新技术。时任中核集团党组成员、副总经理余剑锋主抓这个项目，任命核电工程公司的邢继为项目总设计师，并将型号名称由CNP1000变更为CP1000，刘昌文成为核动力院CP1000项目的总设计师。

刘昌文带领设计团队再次振奋精神，瞄准2011年开工建设核电厂的目标，进行方案设计优化，并组织了国内大大小小各种专家审查会，獲得高度评价。2011年2月28日至3月1日，这是核电项目落地前的最后一次例行审查会。会上，CP1000再次获得专家们高度肯定，终于可以开工建设了，目标就是福清5号机组。

3月8日，刘昌文还去了福清5号机组项目现场，眼看着10多台推土机已经抵达现场，轰隆隆地开始挖土了。他非常激动——中国自主的百万千万核电技术就要在这里变为现实，设计人员10多年的成果终于要从蓝图变为现实了！

谁都没有想到，3月11日，日本福岛发生的核事故将他们的梦想击得粉碎。刘昌文回忆起这件事时，眼睛湿润了。他说，当时身边很多技术人员都很失落，也很彷徨，CP1000就像自己的孩子，怀胎十月，眼看就要降生了，却最终夭折。在一次内部讨论会上，技术人员谈到激动处，许多人都流下了眼泪——搞中国自主的核电技术为何就那么难！

情绪宣泄过后，工作还得继续。刘昌文带领设计团队找到国外三代先进核电技术的各种标准，列出了长长的一串技术对标改进清单。他们的目标就是“拿出可以跟全球先进核电技术PK的中国自主三代核电技术方案”。

三代核电技术与二代技术的主要区别是安全性能得以提升。核动力院经过对标各国家的先进核电技术，着眼于“满足全球最高核安全标准”的严苛目标，提出了从反应堆抗事故能力、电站专设安全设施等多方面着手进行设计改进，比如，核岛抗震等级提升至0.3g（g为重力加速度）、采用“能动”+“非能动”专设安全系统等。每一个创新设计要求的提出，都意味着要开展大量的设计工作，但是所有的付出都是值得的，因为他们深知，核安全就是核行业的生命线。

在载荷计算环节，为了使计算得到的地震载荷分布真实可信，并合理地降低计算过程的保守性，设计人员苦心钻研，完成了无数次计算，并花了大量精力对计算结果进行整理和分析，终于完成了地震响应分析。

计算中，蒸汽发生器进口接管位置的地震载荷始终较大，一度成为整个系统抗震能力的瓶颈。设计人员创新思路，将蒸汽发生器原来“环抱一间隙”的支承方式变为“拉杆”方式，并进行了力学计算论证，发现后一种力学状态能够增加蒸汽发生器上部的支承能力，增强其稳定性，减少出口接管和土建支承的地震载荷，成功提高了整个系统的抗震能力。最终使“华龙一号”达到满足抗震0.3g的要求。

管道破前漏技术是保证反应堆运行安全可靠的一种设计，其基本思路是当管道发生泄漏，泄漏量达到一定程度时，可以通过专设的泄漏监测装置监测到，从而在管道裂纹扩展到临界尺寸而突然破裂前有充足的时间安全停堆并进行管道修补或更换。核动力院对LBB分析流程和方法有一定积累，深知该技术的一个关键环节是计算泄漏率，而由于技术封锁，目前国际上使用最广泛的泄漏率计算软件PICEP不对中国出售。

于是，设计人员依据热工水力基础理论，遵循软件工程的标准，对裂纹泄漏率计算软件进行自主研發。新开发的软件具有模块化的代码设计，输入输出规范，操作简单，计算效率高。对于没有采用LBB技术的辅助管道，设计人员利用商业软件ANSYS二次开发功能进行了参数化、模块化建模，形成了LOCA专用的模块，实现了LOCA非线性动力分析过程的一体化，大大提高了工程分析的效率。

最终，设计人员完成了主管道和波动管的LBB泄漏率计算，以及辅助管道的LOCA动力响应分析，保证了“华龙一号”在事故工况下的安全性和设计技术的先进性。

二代及二代改进型核电机组的设计寿命一般是40年，而三代核电的设计寿命一般都达到60年，这就对反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器等主设备、管道的疲劳性能和磨蚀性能提出了更高的要求。设计人员必须开展大量的设备疲劳分析，而这正是设备力学分析中最为耗时耗力的一项工作。

由于数据量大，计算人员在整理瞬态和校对命令流过程中，需要目不转睛地长时间盯着电脑屏幕。在疲劳分析工作比较集中的阶段，力学分析办公室几乎人手一瓶眼药水，以缓解眼部不适。当费尽九牛二虎之力算出来的疲劳分析结果不能通过时，即便满眼泪水，也要开始新一轮的计算。

设计人员根据制造公差和腐蚀磨损裕量的不同，对近6000根蒸汽发生器传热管进行分组，逐一计算传热管壁厚，并同时考虑一次侧和二次侧瞬态以及管板与传热管的相互作用，对1000多组数据进行理论公式计算，最终完成了蒸汽发生器管束的疲劳分析工作。经过对主要设备部件的疲劳和磨蚀分析，力学工作者论证了反应堆冷却剂系统的主要设备均能满足60年设计寿命。

核动力院经过3年的艰苦攻关，完成了全部研发课题！ 2015年5月“华龙一号”终于在福清5号机组开工建设。

回顾“华龙一号”走过的坎坎坷坷，刘昌文说：“整个研发过程感觉就像爬山，从山下往上爬的时候不觉得很辛苦，等爬到山顶了，回首来时路，才发现自己经历了那么多艰难险阻。”

（作者：王敬东，中国作家协会会员;朱向军，中核（北京）传媒文化公司党委副书记）