第四代核电领域再突破 上海电气产学研合作结硕果

本文转自：环球网

近日，2023年“上海产学研合作优秀项目奖”揭晓，由上海电气核电集团与清华大学合作完成的“600MW高温气冷堆主设备研发及产业化项目”荣获特等奖。两家单位在国家科技重大专项“200MW高温气冷堆核电站示范工程项目”的基础上，突破了压力容器整体热处理及变形控制、蒸汽发生器结构优化和内件组装、螺旋盘管组件流致振动试验等技术难关，并通过技措投入，形成了具有自主知识产权的600MW高温气冷堆主设备产业化和成套供货能力，技术水平达到国际先进、国内领先。

前不久的2023年12月，上海电气参建的华能石岛湾高温气冷堆核电站完成168小时连续运行试验，正式投入商业运行。石岛湾高温气冷堆示范工程是我国具有完全自主知识产权的国家重大科技专项标志性成果，也是全球首座第四代核电站。上海电气作为重要参建单位之一，提供了反应堆压力容器、金属堆内构件、控制棒驱动机构、吸收球停堆系统、汽轮机、主氦风机、氦气压缩机等主要设备，历经十余年攻关，自主研发制造，先后攻克了多项关键技术，助力整个工程设备国产化率达到93.4%。

在“双碳”目标的引领下，我国确定了到2025年在运、在建核电装机量达1亿千瓦的目标。国家“十四五”能源发展战略规划明确，核能领域实现600MW高温气冷堆的商业化应用，建成以高温气冷堆示范工程为平台、以标准规范和专利为核心的完整自主知识产权体系，形成世界领先的高温气冷堆系列型谱产品。上海电气核电集团和清华大学核能与新能源技术研究院通过多年联合攻关，使我国成为世界上为数不多的掌握高温气冷堆技术的国家，并推动该技术进入了商用阶段，助力我国从“核大国”向“核强国”迈进。

更安全、更高效的第四代核电技术先进堆型

纵观核电发展历程，用气体作为冷却剂的气冷反应堆技术大致经历了四个发展阶段：早期气冷堆、改进型气冷堆、高温气冷堆和模块式高温气冷堆。高温气冷堆作为第四代核能技术之一，是国际上公认的具有固有安全性、核热转换效率高和用途广泛的先进核反应堆堆型。

上海电气核电集团技术发展部部长盛旭婷介绍，与现有主流的压水堆技术相比，高温气冷堆更安全，以氦气为冷却介质，采用TRISO包覆颗粒燃料构成的“全陶瓷型”球形燃料元件，它具有在不高于1620℃的高温下阻留放射性裂变产物释放的能力，堆芯设计保证在任何运行工况和事故情况下，燃料元件最高温度不超过其安全限值1620℃。设置两套独立的停堆系统:控制棒系统和吸收球停堆系统，控制棒和吸收小球都依靠重力下落实现停堆功能，提高了停堆系统的可靠性，被称为不会熔毁的反应堆，具有第四代先进核能系统的安全特征。在效率上，采用了高温气体作为冷却剂，未来反应堆堆芯出口温度可达750℃，甚至950℃以上，采用蒸汽透平发电技术发电效率可达42%以上，采用氦气直接透平循环发电技术发电效率可达50％以上。此外，能够模块化设计和组建的高温气冷堆，可以根据不同的应用场景配套不同的核电站功率，使得电站建造更加的灵活。

在应用前景方面，盛旭婷认为，高温气冷堆产生的高品质工艺热和高参数高温蒸汽可广泛应用于供热、化工等领域。供热方面，高温气冷堆因不仅可以满足绝大多数领域的热力需求，并且凭借固有安全性使其能够贴近用户建设，实现供热安全性和经济性的平衡，有良好的供热应用潜力。化工方面，以高温制氢为例，在我国制定的《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》中，明确推进核能高温制氢等技术研发的产业布局要求。利用反应堆堆芯出口温度进行碘—硫热化学循环规模化制氢，是高温气冷堆未来的重点应用领域。

“高温气冷堆作为当前我国具有完全自主知识产权的四代堆技术，其示范工程已正式投入商运，产业化路径明晰。在相关装备领域，上海电气核电集团历经首台样机突破，核岛关键设备工艺优化等，目前已经形成反应堆压力容器、金属堆内构件、控制棒驱动机构、吸收球停堆系统等核岛关键部件批量化生产能力，是目前国内现在唯一一家具备高温气冷堆核岛主设备成套供货能力的装备制造企业。”盛旭婷说。

产学研深度融合助力我国核电技术领跑世界

600MW高温气冷堆主设备研发及产业化的实现，离不开产学研深度融合这把“成功之钥”。盛旭婷介绍，上海电气集团与清华大学关于高温气冷堆技术的合作可以追溯到1995年。彼时双方主要依托国家“863计划”，围绕10WM高温气冷实验堆展开合作，上海电气核能领域相关企业为实验堆供应制造相关主设备。

2006年，高温气冷堆被列入国家科技重大专项。而后的2008年，《高温气冷堆核电示范工程国家科技重大专项总体实施方案》获国务院批准。至此，上海电气与清华大学之间的合作进入了崭新阶段，双方围绕国家科技重大专项以及石岛湾高温气冷堆示范工程展开多层次多渠道合作。2013年，上海电气集团与清华大学签订推进高温气冷堆设备产业化战略合作框架协议，共同促进高温气冷堆示范工程的设备供货及关键设备技术研究。2018年，双方在国家科技重大专项的基础上，开启600MW高温气冷堆主设备研发和批量化制造的攻关新篇章。

据了解，针对600MW高温气冷堆的主设备项目，上海电气核电集团与清华大学核能与新能源技术研究院建立了“规划目标明确，责权利明晰，组织机制严谨，运作紧密高效”的产学研合作模式。双方明确责任分工，联合组建了研发工作组，下设1个设计及验证分课题组和4个主设备研发分课题组，由上海电气核电集团技术发展部负责产学研合作管理、科研项目定期跟踪和协调推动；邀请核电领域的院士和专家组成专家委员会，对研发工作进行指导；建立定期协调机制，确保研究课题的有序推进。

盛旭婷表示，上海电气核电集团坚持将科技创新作为发展道路上的重要抓手，牢牢把握科技引领创新驱动的思路。在核电集团内部，以我国“热堆-快堆-聚变堆”核能“三步走”发展战略为指引，立足装备制造主责主业，联合上游设计院开展多元科研合作模式，推动新一代核能技术与能源装备的创新工作。通过夯实自己的核心技术能力和做好内外部制造研发资源的整合、配置，支撑好每个先进核能技术路线研发和重大工程产品研制，将先进的技术转化成稳定高效的制造能力一直是上海电气核电集团努力的方向。

致力于续写新时代“中国核电”的新篇章

碳中和背景下，核能将成为未来能源结构关键一极。近年来，我国核电领域发展进入加速期，《“十四五”现代能源体系规划》中提到积极安全有序发展核电，要求到2025年核电运行装机容量达到7000万千瓦左右，相比2022年末的5563万千瓦增长25.8%。

作为国内最早从事核电设备制造的企业集团，上海电气核电产业集群的发展轨迹几乎与中国核电产业同步，核电集团的历史最早可以追溯到20世纪70年代，创造了中国与世界核电领域的多个“第一”。上海电气核电集团有限公司致力于打造国内领先、受行业尊敬的具备核岛集成供货和综合服务能力核电装备制造集团和核安全文化示范基地。面对行业机遇，上海电气核电集团明确“1+3+X”的战略目标，秉承“改进过去，攻关当下，研发未来”的科技研发总方针。改进过去方面，核电集团将相对成熟、已批量化产品中的部分技术进行改进，作为不断螺旋上升，持续优化，进而提高质量，提高效率，降低成本的抓手。

攻关当下方面，围绕国家先进核能的重大工程任务和市场需求，攻关技术难题，力争向用户提供高质量的首台产品。研发未来方面，核电集团对未来五至十年可能出现的产业机遇也在提前布局。

除高温气冷堆主设备之外，十四五期间，上海电气核电集团还有多项技术成果突破。三代压水堆领域，上海电气核电集团深度参与并推进“华龙一号”和“国和一号”主设备产业化和标准化，特别在核级主泵国产化进程取得阶段性成果。先进核能系统领域，积极参与2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆项目和福建霞浦600MW核电站工程的关键核心设备研制和供货。聚变领域，2023年上海电气核电集团交付紧凑型聚变装置EXL-50U真空室和全高温超导托卡马克HH70主设备装置。此外，上海电气核电集团全力推进国家重大科技基础设施项目大科学装置CRAFT TF线圈盒的首台研制，并积极参与到国际ITER项目中。

“通过多年深耕，上海电气核电集团坚持技术探索和制造攻关，不仅在硬实力上有显著成果，软实力也得到了极大丰富，积累了丰富的关键制造技术、管理经验及核安全文化。未来，上海电气核电集团将继续全面聚焦国家核能战略和重大工程的研发任务，推动‘双碳’目标的实现和中国核工业高质量发展。”盛旭婷说。