建设高温气冷堆 成就强核报国梦（科技名家笔谈）

张作义在石岛湾高温气冷堆核电站核岛施工现场。

张作义（左）与中国科学院院士王大中在核电工程现场。

山东威海荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程外景。新华社发

2023年12月6日，山东威海荣成石岛湾，中国核能领域迎来振奋人心的历史性时刻：高温气冷堆核电站示范工程正式投入商业运行。这是全球首座投入商业运行的第四代核电站，标志着中国在第四代核能技术研发和应用领域达到世界领先水平。

从2006年初被列入国家科技重大专项到总体方案被批准实施，再到示范工程开工；从工程建设完成并达到临界状态，再到成功投入商业运行，中国高温气冷堆核电站技术艰苦跋涉了约20年。让我非常自豪的是，作为该项目总设计师、专职技术责任人、技术总师和现场副总指挥，我见证并领衔参与了中国高温气冷堆核电站从规划和设计蓝图到成为生动现实的整个过程。

“却顾所来径，苍苍横翠微。”我时常回想起那些挥汗如雨、日夜兼程的战斗岁月，眼前浮现出与清华大学核能与新能源技术研究院的同事研讨解决高温气冷堆技术难题的一个个场景，浮现出与来自华能集团、中核集团以及设备制造商等协作伙伴并肩作战、合力攻关的一件件往事。

我们自强不息、厚德载物。

我们知难而进、众志成城。

我们不负重托、不辱使命。

采用新型燃料和冷却剂

备受瞩目

石岛湾高温气冷堆核电站是1979年美国三哩岛核电站事故以来建设并商运投产的第一个创新型首台套核电示范工程，一直备受瞩目。与传统核电站一般采用锆合金棒状燃料和水冷却剂不同，石岛湾高温气冷堆核电站采用碳化硅包覆颗粒燃料和氦气冷却剂，面对诸多难题。实际上，仅就核燃料研发生产难度而言，在当代工程技术中，大概只有航空发动机、芯片制造能与之相比。

完成辐照试验是石岛湾高温气冷堆核电站碳化硅包覆颗粒燃料面临的巨大挑战之一。反应堆堆芯材料，尤其是核燃料要达到使用条件，必须先在与实际核反应堆运行相同辐照环境下，经受全寿期考验。这种辐照考验要进行多次，不仅技术难度极高，而且耗资大，执行周期很长。

核安全监管是和平利用核能的基石。中国业已构建了完备的国家核安全监管体系，覆盖核电厂址选择、建造许可证发放、核电设备的设计和生产制造、核电运行、核电从业人员的培训等全过程。石岛湾高温气冷堆核电站所有技术创新都是在严格遵守国家核安全监管标准和规则基础上实现的，这既充分保障了核电站的安全性，也决定了推进每项技术创新都面临极其严苛的安全标准和规则的考验。

在实验堆基础上建设示范工程

奋勇跨越

中国高温气冷堆核能技术研发始于20世纪80年代初，在中国科学院院士王大中等的带领下，清华大学开始先进核能技术研发，依托国家“863”计划支持于2000年建成10兆瓦高温气冷实验堆。

我从2001年开始担任清华大学核能与新能源技术研究院院长并主持有关工作。2003年，清华大学10兆瓦高温气冷实验堆建成运行后，有关部门开始考虑推动建设一个工业规模放大数十倍的模块式高温气冷堆核电站作为示范工程。同年，清华大学与中国核工业集团联合创立了中核能源科技有限公司，作为产业化合作平台。第二年，中国华能集团、中国核工业集团与清华大学签署联合协议，组建华能山东石岛湾核电有限公司作为项目业主公司。各方精诚合作，开始携手推进示范工程落地。

多方鼎力支持高温气冷堆核电站示范工程建设。原国防科工委的核能开发项目在工程设计方面给予支持，原国家电力公司在工程技术方案选择研究方面提供支撑。2005年，高温气冷堆核电站示范工程总体技术方案基本完成，并签署了业主合作协议，确定山东荣成石岛湾为项目选址地，组建了产业化合作团队。2006年，高温气冷堆核电站示范工程项目被列入《国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020）》，成为16个重大专项之一“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”的分项，中国第四代核能技术创新由此进入示范工程建设新阶段。

示范工程建成商运投产

玉汝于成

2012年12月9日，高温气冷堆核电站示范工程在石岛湾浇筑第一罐混凝土，正式拉开建设序幕。在此后10年间，我们产学研合作团队在国务院相关部委和国家能源局的领导下，披荆斩棘，攻克一道道难关，迎来一座座工程建设里程碑：2015年，现场土建工程全部完成，厂房封顶；2016年3月和9月，两台反应堆压力容器分别制造完成并在石岛湾现场安装就位；2018年5月和10月，首台燃料装卸系统和2套堆内构件安装完成；2020年10月19日，首堆一回路冷态功能试验一次成功；2021年9月，工程建成并实现首次临界；2023年12月，顺利完成168小时持续运行考核，开始投产运行。

在我们所攻克的示范工程诸多技术难关中，有两道可以名列当代最为艰难的核电技术行列。

一道难关是大批量生产碳化硅包覆颗粒球形核燃料元件。该球形燃料元件每件有1.2万个三层包覆TRISO型燃料颗粒，用来包容核裂变产生的放射性物质，每个颗粒直径不到1毫米。根据测算，满足示范工程对包覆颗粒的需求，年产能须达到30万个球形燃料元件、36亿个包覆颗粒。

为了解决包覆颗粒球形核燃料元件大规模工业制造难题，我们在清华大学预先建设了一条原型生产线，进行全范围的实际运行试验，之后将批量生产出的燃料元件样品送到专门的高通量反应堆中开展辐照考验并获得了很好结果。以清华大学上述技术为依托，由中国核工业集团主持，在内蒙古包头北方核燃料公司开工建设了全球规模最大的碳化硅包覆颗粒核燃料元件工厂，解决了示范工程核燃料元件自主制造问题。类似的碳化硅包覆颗粒核燃料生产厂在美国于2022年宣布开工建设。

另一道技术难关是掌握反应堆用氦气冷却技术及研制一系列相关首台套核心关键设备。氦气是一种原子量仅多于氢气的小分子惰性气体，极难密封，在工业上被用作探测泄漏的气体。要把几万标方的氦气包容在一个运行压力为70个大气压、装有各种设备的反应堆里，是个巨大的工程技术挑战。我们在反应堆用氦气冷却及氦气密封上做了大量研究和试验，成功解决了这一难题。石岛湾高温气冷堆核电站经过运行考验，表明氦气密封满足设计要求，达到非常高的水平。

为了突破反应堆用氦气冷却关键技术，我们在清华大学昌平基地建设了一个全球规模最大的、热功率达到10兆瓦的大型氦气工程实验设施。该设施可以模拟反应堆的高温高压氦气环境，用于测试工厂中试制的首台套大型设备，例如主氦风机、蒸汽发生器、燃料装卸系统、控制棒、吸收球系统等，让它们在进反应堆之前完成全工况长时间考验。这个氦气工程实验设施，是实现氦气冷却技术突破的主要支撑性设施。相关装备经过氦气环境试验一旦被发现有问题，就必须更新设计，返回工厂改造，之后再进行试验。如此往复，直到完全符合要求。

我们在上述过程中遇到了很多困难。有的是世界首台，必须正面强攻；有的是原来设计的方案不适宜工程化，需要变更；还有的是国外有独特技术能完成，而国内短期无法突破，必须另寻他途。

玉汝于成，功不唐捐。我们凭着勇攀高峰、敢为人先的创新精神，凭着集智攻关、团结协作的协同精神，解决一个又一个科技难题，研制出世界创新型首台套的核心关键设备，形成了一批自主知识产权，实现了一系列从图纸到现实的关键科技突破。

为第四代核能奠定基础

赢得点赞

石岛湾高温气冷堆核电站建设成就在海内外引起关注，赢得广泛报道和评论。

在两院院士评选的2023年中国十大科技进展中，石岛湾高温气冷堆核电站商运投产成功入选。在2024年《政府工作报告》中，石岛湾高温气冷堆核电站顺利投运被视为中国第四代核电机组等高端装备研制取得长足进展的代表性成就。

国际原子能机构总干事在庆祝该核电站投产的贺信中表示，作为全球首座投入商业运行的球床模块式高温气冷堆核电站，石岛湾核电站投入商运恰逢气候变化大会召开之际，极大地鼓舞了国际核工业界。对石岛湾核电站商运投产，路透社刊发了题为《中国启动全球首座第四代核反应堆》的报道。《华尔街日报》在相关报道中指出，一个更加安全和高效的下一代反应堆在中国东部开始商业运行，让该国在核能领域获得领先优势。《经济学人》刊文指出，石岛湾高温气冷堆核电站是第四代核反应堆的一个例证，科学家们希望这些第四代核反应堆能够更安全、更高效地发电；许多国家都在努力开发它们，但只有中国拥有一座商业规模的核电站；中国通过实验证明，第四代核反应堆的理论安全优势在实践中是有效的。

获批建设后续商业化机组

未来可期

石岛湾高温气冷堆核电站为第四代核能技术的开发和应用积累了成功经验，为后续项目建设开辟了广阔道路。

2024年8月，中核集团江苏徐圩核电一期工程获得国务院核准，建设1台60万千瓦级高温气冷堆核电机组与两台华龙一号核电机组，共同为化工园区提供高温高压蒸汽及发电，这标志着后续商业化高温气冷堆核电机组建设工作进入实施前期阶段。根据计划，该工程建成后将年提供工业蒸汽3250万吨，发电超过110亿千瓦时，减排二氧化碳1960万吨。

值得一提的是，石岛湾高温气冷堆核电站是国际模块化小型反应堆建设成就的新锐代表。根据国际原子能机构最新公布的信息，全球正在开发的模块化小型反应堆超过68种，有两座已经建成并进入运行阶段，而中国的石岛湾高温气冷堆核电站就是其中之一，并且是目前全球唯一采用第四代核能技术的模块化小型反应堆，引领国际模块化小型反应堆的发展。

从实验堆到工业示范电站，中国核电科技工作者在高温气冷堆核电技术创新领域奋力攀登了约20载。我们接续奋斗，矢志不渝，把对祖国的炽热深情，把对科学真理的探索激情，融入科技强国建设和中华民族伟大复兴的伟业中，终于到达国际核电科技发展最前沿。走笔至此，我想表达感谢之情，感谢与我共同奋斗的团队成员，感谢所有合作伙伴。

核能创新永无止境，核能和平利用前景无限。让我们继续携手奋斗，进一步提高和完善高温气冷堆核能技术，为推进强核强国建设作出更大贡献。（作者为高温气冷堆核电站国家科技重大专项总设计师，清华大学核能与新能源技术研究院总工程师、原院长）