核工业是高科技战略产业,是国家安全重要基石。新中国成立以来,中国核事业从无到有、持续发展,形成了完备的核工业体系,为保障能源安全、保护生态环境、提高人民生活水平、促进经济高质量发展作出了重要贡献,走出一条中国特色核安全之路。
2022年4月26日,中核集团科技人员在新一代人造太阳真空室内安装关键部件。 摄影 王大江
随着1983年“热堆—快堆—聚变堆”核能“三步走”战略的提出,40多年来,中国核工业技术水平和综合实力跻身世界第一方阵。《中国核能发展报告2024》蓝皮书显示,截至2024年4月15日,中国在建核电机组26台,在建总装机容量3030万千瓦,在建数量和装机容量均保持世界第一。
从我国核科学技术的发祥地中国原子能科学研究院,到中国“华龙一号”研发设计牵头单位中国核电工程有限公司,再到承担“人造太阳”中国环流二号、三号装置科研攻关的核工业西南物理研究院,核工业艰苦卓绝、光辉灿烂的奋斗历史深深镌刻。一次次的测试与探索,一代代核电人辛勤的付出,在广袤的中国大地上,汇聚成与国家民族同频共振的回响,迸发出中国核事业不竭的求索力量与前行动力。
“华龙一号”:核能首步的坚固基石
“华龙一号”批量化建设项目漳州核电基地全景。这里地质构造稳定,是得天独厚的避风港,为核电站的顺利建设和安全运营奠定基础。 中核集团 供图
规划中国核能发展的“三步走”路线图,其核心内容是解决中国核能可持续发展、核燃料长期安全有效供应的问题。热堆是核能发展的第一步,主要关注的是核裂变技术的成熟应用。当前,热堆技术相对成熟,是核能发电的主要形式, “华龙一号”便是这一阶段的标志性成果之一。它不仅在技术层面取得突破,还在绿色低碳发展、能源安全等方面发挥了积极作用。
“华龙一号”作为中国自主研发的第三代核电技术,其安全性与经济性得到了国际社会的广泛认可,成为中国核电“走出去”的亮丽名片。“‘华龙一号’创新性地采用了177组堆芯、能动与非能动结合的安全设计特征,实现了关键核心设备的自主化。”中国核电工程有限公司北京核工程研究设计院副总工程师刘诗华说。
据介绍,“华龙一号”核电技术的双层安全壳设计能够抵御大型飞机撞击、17级台风和9度地震烈度,确保了核电站在极端条件下的安全稳定运行。同时,“华龙一号”还采用了先进的反应堆控制和安全系统,提高了核电站的自动化水平和运行效率。
河北省廊坊市安次区,中核工程廊坊研发基地。如今,中核工程的安全壳结构性能实验平台(玄武)和安全壳热工水力综合实验装置(盘古)均坐落于此。 中核集团 供图
在福建漳州,一个采用“华龙一号”技术的世界最大华龙核电基地正在加速建设中。
在位于中核集团福建漳州核电1号机组的主控室里,电子屏幕上数字闪烁,当班值长钟兰华密切关注着相关数字的变化。在核电行业中,操纵人员常常被称为“黄金人”,因为我国大陆首批核电操纵人员每个人的培养成本,大约和与之等重的黄金价值相当。
2014年大学毕业后,钟兰华先后前往中国原子能研究院和福建福清核电站接受培训,系统学习核电站的操作规范,并在一线岗位上工作了7年,不断磨练实操技能。2022年6月钟兰华回到福建漳州核电厂,现已成长为漳州核电“华龙一号”的首批值长。
在福建漳州核电1号机组的主控室内,当班值长钟兰华正全神贯注地监控着主控台上各类精密仪表与显示屏上实时更新的数据变化,这些数据涵盖了反应堆功率、冷却系统状态、安全系统参数等多个关键领域,确保对核电站的运行状态有着全面而精准的掌握,以便及时做出必要的调整与决策,保障机组的安全稳定运行。 摄影 陈建/人民画报
在福建漳州核电1号机组的中控室内,正在进行着值班工作人员之间的专业交接班程序,涵盖了对当前机组运行状态、系统参数、安全监控信息及待处理事项的细致交接。 摄影 陈建/人民画报
中国核电工程有限公司“华龙一号”型号总设计师霍小东(左)与福建漳州核电技术人员就“华龙一号”反应堆冷却系统优化设计及安全性能提升的具体技术细节进行深入沟通与讨论。 摄影 陈建/人民画报
在福建漳州核电1号机组的核岛主厂房区域内,专业技术人员正对反应堆及其辅助系统的运行状态、安全参数以及潜在问题进行细致核查与确认,以确保核岛设施的安全、稳定与高效运行。 摄影 陈建/人民画报
在福建漳州核电1号机组,经过一系列严谨的安全检查与任务确认后,工作人员完成了他们在核岛主厂房区域内的既定工作。 摄影 陈建/人民画报
漳州核电1号机组核岛厂房换料水池。 摄影 陈建/人民画报
“一堆一器”
中国第一台回旋加速器和第一座重水反应堆(简称为 “一堆一器”),如今已成为时代的永恒见证。1958年9月27日,“一堆一器”在北京正式移交生产,标志着我国已经跨进了原子能时代。1984年,回旋加速器完成历史使命,光荣退役;2007年,重水反应堆经过近五十年的安全运行,正式停闭。从基础研究到“两弹一艇”技术攻关,再到和平利用原子能,“一堆一器”为中国核事业的发展作出了不可磨灭的历史贡献。
中国第一台回旋加速器
1958年6月10日,中国第一台回旋加速器调试出束。 中国原子能科学研究院 供图
中国第一座重水反应堆
1958年6月13日,中国第一座重水反应堆首次临界。 中国原子能科学研究院 供图
作为运行值长,钟兰华不仅要负责核电站日常的安全运行,还要确保每一个细节符合最高的安全标准。对于像他这样的“黄金人”而言,成为一名核电站值长并非一蹴而就,而是经过长时间的积累和严格的培训。他的故事展示了中国核电人才培养的成功经验。
2024年9月27日,漳州核电二期工程4号机组开始浇灌核岛第一罐混凝土(FCD),这是漳州核电基地第4台“华龙一号”机组;10月12日,漳州核电1号机组开始装载首炉核燃料,为年内并网发电打下坚实基础。
在“双碳”目标引领下,中国核电建设正在提速。近年来,中国核准了包括浙江金七门核电等多个核电项目。作为中国三代核电技术的主力堆型,设备可靠、工期可控、成本经济的“华龙一号”,现已成为全球在运在建机组总数最多的三代核电技术,标志着中国核电技术与综合竞争力跻身世界第一方阵。
从“一堆一器”到“多堆多器”
在北京西南远郊有一片土地,至今依然保留着上世纪50年代建造的厂房、生活区和专家楼。工作区中有一块长超三米、高过两米的绿色磁铁引人注目。这就是中国第一台回旋加速器的主磁铁。一路之隔的花园里,立有钱三强、王淦昌两位 “两弹一星”元勋、原子能院前任院长的雕塑。步入花园的另一侧,一座式样古朴的反应堆大楼内,建有中国第一座重水反应堆,人们称之为“功勋堆”。
这里,就是有着“中国核工业摇篮”之称的中核集团中国原子能科学研究院(以下简称“原子能院”),也是中国第一座重水反应堆和第一台回旋加速器(简称“一堆一器”)的诞生之地。
1955年,党中央作出了大力发展中国原子能事业的战略决策。从1956年5月破土动工到1958年7月完工,一座原子能科学研究基地在田野上拔地而起。
中国实验快堆是国家高技术研究发展计划(863计划)支持的重大科研工程项目,是我国唯一的快堆技术试验、应用、研发平台,也是我国开展闭式燃料循环技术研发的主要设施之一。2010年7月21日实现首次临界,并开始进行相关实验工作。 中国原子能科学研究院 供图
反应堆和加速器是开展原子能研究需要的重要基础核设施,没有这些大型核设施,所有的研究只能是纸上谈兵。1958年,在苏联的援助下,原子能院建成“一堆一器”,标志着中国跨入原子能时代。“一堆一器”的落成,使中国核科学的研究装备和实验手段大幅改善。原子能院科研人员充分利用相关研究装备产出了累累硕果,尤其是为“两弹一艇”(原子弹、氢弹、核潜艇)研制建立了卓越功勋。
如今,第一座重水反应堆已经停闭,第一台回旋加速器也已退役,原子能院却从“一堆一器”走向“多堆多器”,成为国内加速器与反应堆类型最多的综合性研发基地。在数十年的研发过程中,原子能院全面掌握了快堆技术,取得了一大批自主创新成果和专利,形成了完整的研发能力,并培养了一批优秀的技术人才队伍。
中国先进研究堆 中国原子能科学研究院 供图
2010年,原子能院建成中国首座快堆—中国实验快堆。标志着中国在占领核能技术制高点、建立可持续发展的先进核能系统上迈出了重要一步。2011年7月,中国实验快堆实现40%功率并网发电。2014年12月,在完成各项重要调试试验后,实验快堆首次实现了满功率并网发电运行72小时。此后,接力棒便传到了运行人员手中。由于实验快堆即使在停堆期间,各路系统也要保持继续运转,运行人员需要24小时随时待命。
作为第一批快堆运行操作人员,中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所副总工程师徐斌始终把快堆安全运行作为头等大事。在保障一个个大型科研设施安全稳定运行的背后,是原子能院数支团队夜以继日、连续作战、通力协作的结果。“实验快堆是国内第一座快堆,许多经验都需要我们自己摸索。快堆队伍坚持恪尽职守、谨小慎微的准则,加上年轻一代传承主动学习、敢于担当的精神,保障了实验快堆的长期平稳安全运行。”
100MeV强流质子回旋加速器 中国原子能科学研究院 供图
2021年,原子能院正式启动一体化闭式循环快堆核能系统的研发和设计研究工作。作为中国核能发展“三步走”战略第二步的高级阶段和必然选择,一体化闭式循环快堆核能系统将有力保障核能可持续发展,助力中国“双碳”目标实现。与此同时,加速器也在不断发展:静电加速器、串列加速器、多能量电子直线加速器及型谱化回旋加速器不断涌现,能量越来越高,型号越来越多,应用也越来越广。
从“一堆一器”到“多堆多器”,随着堆器事业的不断壮大,中国实现从“引进来”到“走出去”的跨越。微型核反应堆多次出口,高端电子加速器扬帆海外,一系列成绩标志着中国多项核电技术已从“跟跑”到“并跑”甚至“领跑”。
携手攻关人造太阳
四川成都双流西南航空港,坐落着中核集团核工业西南物理研究院(下称“西物院”),这是中国最早从事核聚变能源开发的专业研究院。研究院聚变科学所那座建了22年的老楼,便是新一代人造太阳的“家”。
2022年10月19日,新一代“人造太阳”等离子体电流突破100万安培(1兆安),真空室放电画面。 中核集团 供图
清晨,当阳光洒进西物院聚变科学所时,新一代人造太阳的“家”开始热闹起来。这里就像一个大脑的“中枢神经” 系统,大屏幕上的数据像一个个跳动的脉搏,坐在屏幕前,人造太阳驾驶员们操控、记录、观察着“中枢神经”传来的一串串实验数据和图像。
中国核聚变博物馆落户于成都理工大学工程技术学院内,为原核工业585所基地,是我国第一个核聚变博物馆。 摄影 徐讯/人民画报
太阳的核心温度大概在1500万度到2000万度,而地球上的金属材料在1000度左右就会融化,中国的人造太阳所要做的就是在地球上建一个能够承受住亿度高温的装置。
2024年10月12日,成都理工大学工程技术学院在校学生参观核工业西南物理研究院机电设备厂。 摄影 贾玉成
1.5亿摄氏度,这是新一代托卡马克装置设计达到的最高温度,是太阳核心温度的10倍,地球上没有任何材料能经得起这种温度的灼烧。因此,整个托卡马克装置是一个“甜甜圈”状,利用磁场将高温离子约束在真空环境中,从而不与任何材料接触,而真空环境外的第一道“防线”,被称为“第一壁”。
2017年6月14日,中核集团科技人员在中国环流二号装置真空室内开展加热系统检查。 摄影 郑铁流
“人类一直希望建造人造太阳,利用可控核聚变反应来获得源源不断的清洁能源。”西物院聚变科学所副所长季小全表示,人造太阳并不是真的造一个太阳,而是利用太阳发光发热的核聚变原理,来解决人类能源问题。“人们 ‘造太阳’的最终目的是通过可控核聚变,解决人类对能源的需求问题,从而造福人类。换句话说,这种以探索清洁能源为目的的可控核聚变装置,被形象地称为人造太阳。”
中国环流一号装置安装现场。 中核集团 供图
就在不久前,由科研团队自主设计、建造的新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。这一重大进展再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录,是中国核聚变能开发进程中的重要里程碑。谈及它的成长过程,季小全表示,这是科研团队一次次填补国内相关领域空白、经历上万次实验的励志故事。“我们一次次勇闯‘无人区’,大到突破关键技术,小到装置的真空室、线圈系统、发电机组等核心设备都实现了自主创新的中国制造,靠的是整个团队的信念。”季小全说。
2021年4月23日,中核集团科技工作者在中国环流二号的真空室内开展安装调试工作,保障人造太阳装置安全、稳定、高效运行。 摄影 王雨萌
不断刷新纪录的人造太阳背后,是一支平均年龄只有33岁的科研团队。科研总是面临着困难和挑战,回忆起和团队并肩作战的岁月,季小全感慨万千,“在一些关键节点,我们团队一些同事直接在单位吃住,一个月都没有回过家。最后不仅完成了这些新的系统设备的调试控制,还实现了100万安培放电目标,我们当时所有人都认为这个目标几乎是不可能完成的。”
2021年4月28日,科研人员解决国际热核聚变实验堆(ITER)关键部件技术难点问题。 摄影 王大江
建造人造太阳是全人类的梦想。如今,中国已成为可控核聚变领域国际科研合作交流的热土。2020年7月,习近平主席向国际热核聚变实验堆(ITER)计划重大工程安装启动仪式致贺信时指出,科学无国界,创新无止境。国际科技合作对于应对人类面临的全球性挑战具有重要意义。
作为一项规模仅次于国际空间站的国际大科学工程计划,ITER计划自1985年发起动议以来,已经持续推进了20余年,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。作为理事会“七方”成员之一,中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同资助这一项目,承担项目工程建设阶段18个采购包的制造任务。2023年12月,中国环流三号宣布面向全球开放,邀请全世界的科学家来中国集智攻关,共同点亮人类未来能源的终极梦想。
2019年5月27日,人造太阳工匠检查新一代人造太阳“中国环流三号”真空室关键焊接部件。 摄影 郑铁流
中国核电工程有限公司副总工程师、核聚变工程技术中心主任贺旭霞表示,在ITER计划执行中,中国始终恪守国际承诺,相关企业和科研人员勇挑重担,与国际同行齐心协力,为计划的顺利推进贡献了中国智慧和中国力量。“开放合作源于祖国强大、民族自信,正是一代代科研人员的接续奋进,才让中国逐渐走向世界核聚变舞台的中心。”贺旭霞说。
西物院聚变科学所副所长季小全(中)与西物院聚变科学所副所长张龙(左)对新一代人造太阳“中国环流三号”进行指导工作。摄影 徐讯/人民画报
在西物院聚变科学所副所长张龙看来,ITER计划是实现聚变能应用的关键一步,要实现聚变能的商用,还有很长的路要走,需要几代核聚变人接力奔跑。“西物院将培养并储备一批核聚变领域年轻的技术研发人才与团队,为人类核聚变事业贡献中国智慧和中国力量。”
一亿度的梦想,在一代又一代人的手中,不断接力与传承。自立自强、勇攀高峰,一代代科研工作者的精神内核,支撑起中国人造太阳的强大内核。作为这一装置的“90”后驾驶员,33岁的陈逸航站在了距离梦想最近的地方。“核聚变研究渐入佳境,接力棒已经交到我们这一代人手里。”陈逸航说,身为人造太阳团队中的新一代,他感到无比幸运,更体会到了肩上担负的沉甸甸的责任。“我们希望让聚变发电率先在中国实现,让第一盏聚变能源灯在中国点亮!”
2022年10月,党的二十大召开期间,中国新一代人造太阳科学研究取得突破性进展,创造了中国可控核聚变装置运行新纪录。 摄影 范晋
从核工业“三步走”战略提出至今,热堆—快堆—聚变堆研究同步推进,核裂变、核聚变的研究与技术的应用不断助推着经济社会发展与美丽中国建设。在充满挑战与希望的核工业路上,中国代代核工业人肩负起历史使命,坚定向着建设世界核工业强国的宏伟目标迈进。