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“华龙一号”龙腾华夏丨锐意进取撑起巨龙腾飞的“龙骨” ——记“华龙一号”反应堆结构设计专家曹锐
时间:2021年06月03日 来源:《中国核能》 点击量:483 分享:

编者按:

2021年1月30日,“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组投入商业运行。这标志着中国打破了国外核电技术垄断,正式进入核电技术先进国家行列。

长风破浪会有时,直挂云帆济沧海。“华龙一号”采用我国和国际上使用经验最丰富、安全纪录最好的压水堆堆型,其研发是在继承我国30年核电技术发展成功经验的基础上,通过引进、消化、吸收和再创新,形成“华龙一号”这一值得中国人自豪和骄傲的重大成果。

《中国核能》推出专题报道,为读者展现“华龙一号”的研发和建设者们数年执着坚守,把责任扛在肩上,攻坚克难,呕心沥血,潜心钻研,终于打造出闪耀着中国人智慧的“大国重器”和“国家名片”的精彩故事。


如果把核岛中大大小小的设备比作“华龙一号”巨龙身体里的各个器官,那么堆内构件就是龙身中的经络脏腑,支撑巨龙腾飞的“龙骨”。

从风华正茂到天命之年,中国核动力研究设计院的曹锐伴随着我国核电事业一路前行,经历过坎坷、沮丧、希望、挫折和奋斗,最终成长为“华龙一号”反应堆堆内构件设计师。正如大家所说,曹锐和他的团队是“华龙一号”这条龙经络脏腑的搭建者。

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▲曹锐(左五)一行赴巴基斯坦卡拉奇现场办进行慰问

一本二十多年前的笔记本

一本已经泛黄的笔记本,因为时光的磨砺,纸张已经变得有些脆软,但略显凌乱的笔迹依然清晰可辨。这些笔迹,仿佛摆脱了时空的维度,带着我们一起回到了23年前,记录着在中国西南的大山深处召开的一场闭门会议。

1997年,秦山二期的设计工作基本完成,时任中国核动力院副院长的张森如,敏锐地感觉到自主核电要发展,必须考虑后续该怎么走。他抽调各专业骨干,经过两天的激烈研讨,确定了177盒燃料组件、更大尺寸的压力容器等重要技术参数。当时参会的十几个人,没有想到这次的技术研讨成果,会成长为扛起国内核电大旗、令国人为之骄傲的我国第三代核电技术——“华龙一号”。

笔记本的所有者——当时30岁的曹锐,作为反应堆结构专业的代表参会,有幸成为历史的见证者和记录者。

一张手工画制的三维轴测图

只有如饥似渴地学习,才能云程发轫。对于初出茅庐的曹锐亦是如此。

曹锐入门核动力装置系统,始于一张三维轴测图。

1989年的秋天,从成都科技大学(现四川大学)毕业的曹锐,进入了核动力院反应堆结构研究室工作。化工机械专业出身的曹锐,对反应堆的概念基本属于一片空白。“参加工作后,遇到了几个好老师,言传身教地带我”。游德戌、关建维、张振亚、张凤林、谢重等老师将反应堆结构知识一点一点传授给了曹锐,并给了曹锐和同事一个任务——画一张反应堆装置的三维轴测图。

当时,刚入职的曹锐还没有宿舍,在工会图书室的仓库里住了半年。“宿舍和办公室在一栋楼,也方便。我吃完饭就去办公室画,到十点多回去睡觉,第二天一早再继续画。”整整一个多月,两个人趴在图板上。整个核动力装置的系统、主设备、管道,全在这张1米x0.8米的图纸上。画完后,曹锐对反应堆装置才有了比较深刻的了解,算是入门了。

秦山二期核电站是“华龙一号”的设计基础,也是核动力院进入核电领域的里程碑。秦山二期时期,和法国签订了咨询包,曹锐有了去法国咨询和学习的宝贵机会。那是1995年,去法国非常不易,代价也高,曹锐压力很大。

去之前,组里花了几个月的时间,列了上百条的问题清单。“什么都问。现在看来,有些问题太简单了,但是没人点拨,就是想不通。”曹锐笑着说。第一次出国,咨询费用一小时两百美金。“我们当时开玩笑说,专家上趟厕所,都要浪费我们不少钱。”对于当时月工资只有几百块钱的曹锐来说,天价的咨询费让他一分一秒都舍不得浪费。回国以后,为了给专业组的人分享和学习,曹锐主动把法国人提交的两万多字的英文咨询报告翻译归档。

直到秦山二期发电以后,曹锐才真正感觉到自己已将核电知识融会贯通,从摸索前进到真正入行,从跟着法国人学习到自主设计,将体会、经历转化为攻坚克难的智慧和法宝。正是一批像曹锐一样,从秦山二期成长起来的设计人员,成为了日后让“华龙一号”腾飞的主力。

就是这样一代代的传承,中国的核事业从一片荒芜中起步,走到了今天。

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▲曹锐(右三)在产品发运会上

一份埋藏许久的设计方案

“给堆芯建一个安全的家。”这是曹锐对他所从事专业的概述。

堆内构件位于反应堆一回路主设备压力容器之中。10多米的高度和100多吨的重量,让这副“龙骨”无比刚强坚实。核电运行的核心——核燃料组件,就安装在“龙骨”中。

1998年,曹锐开始参与“华龙一号”的前身——CNP1000的反应堆堆内构件的方案和初步设计工作。从秦山二期的121堆芯到CNP1000的177堆芯,这个变化给堆内构件的设计带来了极大的挑战。多加了56组燃料组件,牵一发而动全身,堆内构件的很多细节都要进行全新的设计。

“堆内构件的设计,是一个多学科联合的工作。”堆芯设计专业要提供燃料装载方案,从而确定堆内构件控制棒导向筒的数量;屏蔽专业需要计算压力容器的辐照寿命,从而设计屏蔽措施,保证压力容器所受辐照损伤在允许范围内;为了保证流场分布均匀,热工水力专业计算必不可少;力学专业又要提供强度、刚度、流致振动等一系列计算结果……

设计工作千头万绪,每个参数的设定都要煞费苦心。堆内构件下面有两层板,板上有很多流水孔,设计要求每个孔流量的偏差要在5%以内。每一个孔道都开一样大,不就可以保障流量均匀了吗?这是所有人一开始的想法,但压力容器内复杂的水流环境让事情变得没这么简单。“搞结构的人,必须有水力学的知识。”设计工作完成后,其可行性必须经过一系列试验才能被证明。第一次水力模拟试验,流道偏差很大,只能修改设计、重新试验,直到确定合适的参数。

在堆内构件的研发过程中,会碰到各种无法预料的问题。“当初做驱动线试验的时候,安装完成后要检查接口尺寸才可以封盖做试验,结果发现有20多毫米的误差。”曹锐说。他按尺寸链去计算,结果证明不可能出现这种情况。当时他提出了各种假设,都一一被推翻,一找就是两个多月。他把驱动棒控制机构、燃料组件的图纸、文件都拿来,想要从根本上找问题。当时行业内还没有自己的燃料组件,组件是从法国进口的,图纸上很多数据都没有。

“张凤林老师就把去法国学习的笔记,有关尺寸方面的内容,他都记得特别详细,一大摞笔记本直接抱给我。”曹锐也没有辜负老前辈的无私和期许,拿着笔记本,将燃料组件的尺寸、结构相关知识,深入地学习了一遍。但没想到的是,有了法国人的详细数据,还是没能解决问题。最后,曹锐偶然发现,原来试验人员为了防止控制棒干砸损坏燃料组件,在管座上加了一个20多毫米的缓冲杯。

2001年前后,曹锐和他的团队就把水力大模拟试验、流致振动试验和驱动线试验三大试验做完了。堆内构件的设计研发工作基本完成,达到施工设计深度,成功好像近在眼前。

1999年年底,中核集团正式对外推出CNP1000,并将方家山核电站作为首堆示范工程。

意外总是猝不及防。2003年初,上级确定了新一轮核电发展路线是 “采用先进技术,统一技术路线”,直接引进国外最先进的第三代核电站技术,走“一步跨越”的新路。

CNP1000仓促下马。

即将完成的CNP1000堆内构件设计图纸被放入纸堆。

“这是第一次真正的完全自主知识产权的努力,马上就要成功了,我把它当成自己的孩子。”这成了曹锐永远的心头之痛。

一条自主核电技术探索之路

CNP1000下马,但中国自主核电之心不灭。核动力院在CNP1000的基础上继续改进,希望走出属于中国的第三代核电之路。曹锐和他的团队身处其中,迎难而上。

方家山折戟,核动力院将目光放在了福清5、6号机组。在CNP1000的基础上进一步改进,形成CP1000自主核电技术。CP1000进展顺利,安审对话已经进入第二轮。这时已经进入2011年。

2011年,日本福岛事件来临,一切戛然而止。

福祸相依。正是因为经历的种种磨难,CP1000浴火重生,造就了符合当前最高安全标准的具有典型三代特征的ACP1000技术,也即后来的“华龙一号”。

此时的曹锐,历经红沿河核电站、宁德核电站、阳江核电站的设计阶段,做过主管主任,也当过专业总师,已经成长为行业内知名专家。

在CNP的1000基础上,“华龙一号”堆内构件将堆芯仪表改为由压力容器顶部引出,厂址设计基准地震改为0.3g,重新完成了设计、分析和试验验证工作。“华龙一号”堆内构件在结构、材料和制造等多个方面有很高的成熟性和可靠性,核心结构经长期和广泛的实堆验证,并将国内最为丰富的设计经验反馈到全方位的设计细节中。

反应堆结构设计团队积极引入了第三代核电“非能动”的相关概念,重点关注了在事故工况下反应堆总体和堆内构件的安全性能。同时,“华龙一号”采用一体化堆顶结构,结构更加集成、安全、合理,使用方便,可大大缩减换料检修时间。一体化堆顶结构位于反应堆压力容器的上方,承担着平稳起吊压力容器顶盖、为控制棒驱动机构通风散热、抗震、梳理牵引堆内电缆等重要功能,被称为“龙首”。它是核动力院自主设计、自主制造、自主供货的三代核电关键设备,也是曹锐团队多年的研究成果。

二十三年梦铸华龙,灯火云安驿里时。从1997年到2020年,匆匆二十三年已过,中国自主核电筑梦已圆,曹锐团队也成长为中国核电设计团队的中流砥柱。岂止23年。从那个不为人知的西南山坳里,中国大陆发出第一度核电之时起,半个世纪已过。回望中国核电一路走来,有长夜,但始终伴有灯火。这灯火,是中国自主核电之心不灭,是核动力院永不放弃精神的传承,是如曹锐这样的核电人的坚守。


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