核能工業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)”“開創(chuàng)核能多用途新時(shí)代”“游戲的改變者”……一直以來，模塊化小堆(以下簡稱小堆)都被國內(nèi)外核電領(lǐng)域的專家給予了很高的評價(jià)，特別是福島核事故后，小堆因其更具靈活性和安全性，開始受到了熱捧。
中國核動力研究設(shè)計(jì)院緊跟世界核能發(fā)展趨勢，通過十幾年的刻苦攻關(guān)，研發(fā)出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能模塊化小型壓水堆堆型，這是繼華龍一號后的又一自主創(chuàng)新重大成果，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
玲龍一號應(yīng)運(yùn)而生，也成為了中國核電“重啟”的重要選項(xiàng)。
在期許中“誕生”
什么是小型堆?國際原子能機(jī)構(gòu)認(rèn)定——電功率30萬千瓦以下的核反應(yīng)堆。
“大堆我們可以把它看作一個(gè)家用的臺式電腦，包括了顯示器、主機(jī)、鍵盤等等，小堆我們可以把它當(dāng)作家里面的一個(gè)筆記本電腦，它的顯示器、主機(jī)、鍵盤等都集中到一起了。”中核集團(tuán)玲龍一號總設(shè)計(jì)師宋丹戎給出了更通俗的解釋。
早在上世紀(jì)七八十年代，國際原子能機(jī)構(gòu)就開始倡導(dǎo)發(fā)展中小型反應(yīng)堆。包括美國、俄羅斯、日本、韓國、英國等在內(nèi)的越來越多的國家，競相加入到模塊化小堆研發(fā)的行列。
進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著小地區(qū)或偏遠(yuǎn)山區(qū)供電、城市冬季集中供熱、工業(yè)園區(qū)集中供熱、島礁供電、海上石油開采等領(lǐng)域?qū)η鍧嵞茉吹男枨筮M(jìn)一步提升，以及國家為實(shí)現(xiàn)“美麗中國”對構(gòu)建綠色能源體系的強(qiáng)烈需求，小堆在功率規(guī)模可變化、模塊化快速組裝、運(yùn)輸便捷性、需求滿足穩(wěn)定性、適應(yīng)環(huán)境條件強(qiáng)等方面綜合優(yōu)勢十分顯著。而壓水堆技術(shù)作為目前世界上商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的核能應(yīng)用技術(shù)，擁有最高的技術(shù)成熟度和最豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在小堆的研發(fā)過程中是優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)技術(shù)。
2003年，核動力院開始了小型多用途一體化堆的探索研究，以海水淡化、熱電聯(lián)產(chǎn)、核能供熱等需求為目標(biāo)，完成了概念方案和安全性及經(jīng)濟(jì)性評估，為后續(xù)項(xiàng)目發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
2009年，中核集團(tuán)在“十二五”規(guī)劃中提出了“差異化發(fā)展”的戰(zhàn)略，小堆逐漸“浮出水面”。
2010年，中核集團(tuán)將小型多用途堆技術(shù)研發(fā)列為集團(tuán)公司重點(diǎn)科技專項(xiàng)。
2011年，中核集團(tuán)對模塊化小堆的研發(fā)正式啟動。項(xiàng)目代號ACP100，別稱玲龍一號，它與大家熟知的華龍一號是“親兄弟”。
全球首個(gè)陸上商用模塊化小堆開工建設(shè)
雖說玲龍一號是一個(gè)小型堆，但這并不是單純的把大型核電小型化。
“玲龍一號是一個(gè)涉及多需求多目標(biāo)多技術(shù)耦合的新堆型，沒有現(xiàn)成的堆型可以作為參考。設(shè)計(jì)過程中遇到的最大的問題是以往可以直接用的一些大型壓水堆技術(shù)理論，包括數(shù)據(jù)等，對于它都不適用，必須從頭開始。”宋丹戎說，玲龍一號目前是全球唯一通過國際原子能機(jī)構(gòu)官方審查的三代核能小堆，由于是全球首座商業(yè)三代核小堆項(xiàng)目，此前沒有經(jīng)驗(yàn)可循，邊實(shí)踐、邊總結(jié)、邊調(diào)整，成為了建設(shè)者們的“必修課”。“我們開始小堆研發(fā)的時(shí)間跟國際基本同步，有些研發(fā)甚至更靠前，因此，我們也沒有可以借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)，只能摸著石頭過河。”
2010年8月，成都正值酷暑。宋丹戎卻帶領(lǐng)著小堆研發(fā)團(tuán)隊(duì)加班加點(diǎn)的構(gòu)思和研討小堆的設(shè)計(jì)方案。在核動力院會議室里，宋丹戎、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究室主任羅英和時(shí)任堆總體及堆內(nèi)構(gòu)件專業(yè)組組長的許斌等經(jīng)過慎重討論達(dá)成共識——為了占據(jù)先機(jī)，必須提前拿出小型堆反應(yīng)堆總體結(jié)構(gòu)的初步方案。這是一道死命令。
小堆最核心的技術(shù)是反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)一體化布置設(shè)計(jì)技術(shù)。年輕的工程師陳訓(xùn)被選定為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)總體技術(shù)負(fù)責(zé)人，時(shí)間緊，任務(wù)重，他通過查閱大量資料，終于有了關(guān)于小堆的初步構(gòu)想。可構(gòu)想是否可行、有沒有缺陷，還需要讓更富有經(jīng)驗(yàn)的老前輩來把關(guān)。陳訓(xùn)帶著小堆的初步構(gòu)想找到了擁有40多年反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的老專家郝維明，通過10多天的反復(fù)討論，兩人一次性提交了4份不同的設(shè)計(jì)初步方案。最終，在廣泛征求了大家意見的前提下，敲定了最佳方案，也就是如今中核集團(tuán)向世界推出的玲龍一號的雛形。
為取得全球通行證，玲龍一號主動接受了國際原子能機(jī)構(gòu)通用反應(yīng)堆安全審查，從2014年至2015年，玲龍一號研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了4000多份報(bào)告，并先后到維也納、北京完成三輪次的技術(shù)答辯，歷時(shí)2年。最終，在2016年，它成為全球首個(gè)通過IAEA安全審查的小型壓水堆技術(shù)。相比全世界很多國家開發(fā)的小堆都還停留在紙上，我國率先邁出了模塊化小堆工程落地這關(guān)鍵一步。
2020年10月下旬，12位核電行業(yè)專家坐在一起，舉行為期一周的玲龍一號項(xiàng)目總工期沙盤推演活動，活動現(xiàn)場并沒有真正的沙盤，專家們聚在一起對玲龍一號施工中可能遇到的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析與研討，甚至細(xì)到核島中的一顆螺絲釘。“通過大家的頭腦風(fēng)暴，對相關(guān)的應(yīng)對措施我們也提出了一些比較合理的方案，讓專家?guī)臀覀冏R別，幫我們判斷，這樣把一些風(fēng)險(xiǎn)提前消除。”核動力院小堆項(xiàng)目經(jīng)理李松說，為了早日實(shí)現(xiàn)玲龍一號項(xiàng)目落地，大家都卯足了干勁。
2021年7月13日，中核集團(tuán)海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程(小堆示范項(xiàng)目)在海南昌江核電現(xiàn)場正式開工，至此，該項(xiàng)目成為全球首個(gè)開工的陸上商用模塊化小堆，標(biāo)志著我國在模塊化小型堆技術(shù)上走在了世界前列。
打造又一“國家名片”
既然有了華龍一號這樣技術(shù)成熟的大堆，為什么還要研發(fā)玲龍一號這樣的小堆呢?答案是：它更小巧、更靈活、更安全、更靠近用戶，號稱“移動充電寶”。
眾所周知，全世界在建及運(yùn)行中的百萬千瓦級壓水堆核電反應(yīng)堆，個(gè)個(gè)都是龐然大物。以法國的M310和EPR、美國的AP1000為例，堆型均為分散型布置，光是反應(yīng)堆壓力容器的直徑就有4米多，高度超過12米。再算上壓力容器外面布置的蒸汽發(fā)生器、冷卻劑主泵、穩(wěn)壓器等主設(shè)備，整個(gè)反應(yīng)堆一回路的直徑接近60米，比兩個(gè)籃球場加起來還要大。而研發(fā)玲龍一號的任務(wù)要求，一是要“個(gè)頭小”，二是要更安全。
玲龍一號之“小”，小在功率和體積。玲龍一號功率僅有華龍一號的十分之一，華龍一號是功率達(dá)到百萬千瓦級的大堆，而玲龍一號是功率為十萬千瓦級的核電小堆，較低的功率降低了核燃料裝載量。此外，與大型壓水堆相比，玲龍一號由于體積小，占地面積較小。更小的功率和體積適配更多的應(yīng)用場景。不僅可以布置在陸地上，還可以布置在海上平臺、偏遠(yuǎn)島礁等，實(shí)現(xiàn)供熱供電、熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)壓水堆技術(shù)的多領(lǐng)域多場景多需求應(yīng)用，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供更強(qiáng)勁的動力。
同時(shí)，玲龍一號采用的是模塊化建造，通過單個(gè)模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、制造批量化生產(chǎn)，降低了制造成本，模塊式小型堆系統(tǒng)簡化、設(shè)備尺寸小、運(yùn)輸方便、運(yùn)行操作更為簡便，創(chuàng)新性的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)工廠組裝和現(xiàn)場安裝，極大縮短了建造周期，并可根據(jù)用戶負(fù)荷需求，靈活組合規(guī)模，滾動開發(fā)建設(shè)，有效降低了模塊式小型堆的投資成本，確保了經(jīng)濟(jì)效益。
除此之外，保證高安全性也是玲龍一號必須要完成的重要課題。玲龍一號最突出的特征是一體化設(shè)計(jì)、模塊化建造、高固有安全性和完全非能動的安全系統(tǒng)。事故時(shí)通過重力和自然循環(huán)等非能動方式將堆芯熱量導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)長期冷卻，上部設(shè)置密封廠房作為二次屏障。安全分析表明，堆芯損毀頻率小于10-8/堆年，大規(guī)模放射性釋放頻率小于10-9/堆年，安全性處于三代核電先進(jìn)水平。
作為清潔能源，核能發(fā)電具有安全友好、綠色低碳、經(jīng)濟(jì)高效等多重優(yōu)勢。玲龍一號發(fā)電功率12.5萬千瓦，建成后年發(fā)電量可達(dá)10億千瓦時(shí)，滿足52.6萬戶家庭生活所需。它的推廣應(yīng)用可以大大減少我國化石能源的消耗、促進(jìn)節(jié)能減排。同時(shí)，每臺玲龍一號機(jī)組每年發(fā)電相當(dāng)于減少二氧化碳排放88萬噸，相當(dāng)于植樹造林750萬棵。面向我國“2030年要碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo)，安全積極有序的批量發(fā)展核電，可以連續(xù)、穩(wěn)定地承擔(dān)碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)，助力我國深入推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。
“2011年以來，受福島核事故等因素影響，全球核電消費(fèi)量在所有能源消費(fèi)中的占比長期低迷，但核能的綜合利用仍有強(qiáng)烈的需求，市場潛力無限。除了電的需求以外，還有大量的能源需求，包括蒸汽、熱水、海水淡化等，這些需求實(shí)際上還在非常快的增長。” 宋丹戎說，核能轉(zhuǎn)化的蒸汽可以用于工業(yè)生產(chǎn)，熱水可以用于冬季供暖，海水淡化也有很大的市場空間。玲龍一號一體化的設(shè)計(jì)提升了安全性，未來可以布置到離城市、離用戶更近的地方。
玲龍一號與我國百萬千瓦級自主三代核電華龍一號的完美配合，已經(jīng)成為中核集團(tuán)馳騁搶攤海外市場、支撐國家“一帶一路”倡議的“雙龍”。可以預(yù)見，安全智能的模塊式小型堆將推動我國在世界核能領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先、率先突圍，成為中國制造及原創(chuàng)科技品牌又一張靚麗的名片。
