“国和一号”:树三代核电自主创新标杆

2月28日,“国和一号”产业链联盟成立大会暨首届会员大会在上海举行。

在“国和一号”示范工程按计划稳步推进的同时,“国和一号”产业链联盟的成立,被视为进一步实现产业链自立自强、自主可控的重要举措。

“国和一号”是我国在引进消化吸收三代非能动压水堆核电技术的基础上,通过大型先进压水堆及高温气冷堆核电站国家科技重大专项开发的、具有自主知识产权的大型先进压水堆核电型号。

2008年,“国和一号”(又名CAP1400)研发工作正式启动。历时12年,国家电力投资集团有限公司作为牵头单位,组织全国600多家单位、31000余名技术人员参与,累计形成知识产权成果超7611项,建成了我国三代核电自主创新体系和产业链供应体系,标志着我国核电技术实现了从“二代”到“三代”的跨越,具备先进核电自主化、批量化、规模化建设能力。

传承“国之光荣”的三代核电

1970年春节前,上海市领导向中央汇报工作时,道出了当时上海面临的严峻形势:多家工厂由于缺电轮流停产。2月初,周恩来总理做出指示:从长远来看,要解决上海和华东地区用电问题,要靠核电。

核电,是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能。一颗原子核,直径只有一根头发丝的一亿分之一,却蕴藏着惊人能量。1千克的铀235裂变以后产生的能量,大致相当于2700吨标准煤充分燃烧释放的热量。

1970年2月8日,上海市组织传达了周总理关于建设核电的指示精神并研究了落实措施,我国第一座核电站工程由此得名“728工程”。

从“728工程”开始,我国核电已经走过了50多年的奋进创新之路。

“第一代核电技术主要是以实验研究堆为主。第二代核电技术主要发展阶段是20世纪60年代初到1979年以前,该阶段技术建成的核电称为二代。”国家电力投资集团有限公司核能总工程师、“国和一号”总设计师郑明光说,“美国三里岛核事故发生后,全球对核电安全的认识进一步提升,先进核电国家针对核电设计、运行安全等方面进行了充分认识与分析评估,提出了一系列改进、增强安全性的措施,三代核电技术应运而生。”

十余载打造大国重器

然而首先摆在面前的,就是一个看似难以逾越的障碍——根据外方的合作协议,只有电功率超过135万千瓦,我国才能拥有三代非能动核电的自主知识产权。

“135万千瓦,对非能动安全、主要设备来说是个‘大门槛’。不掌握核心技术,这个‘大门槛’就过不去。”郑明光说。

以郑明光为代表的技术团队,对“国和一号”顶层设计方案进行了全局性的创新,包括增加钢制安全壳的直径和厚度以扩大核岛空间,重新设计研制反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、爆破阀和汽轮发电机,大幅度优化主泵流量、主管道流通截面等,实现型号总体安全经济性能和效率的全面提升。

一组数据能直观反映“国和一号”缘何是名副其实的“国之重器”:单台机组中,超过100吨的设备、模块有30件左右,最大的模块体积有5000多立方米,重达1400多吨;安全壳是个直径40多米,高70多米的“大胶囊”,用5厘米厚左右的钢板制成,每平方米可承受40吨以上的压力;蒸汽发生器里面有1万多根用于热交换的U型管,总长超过300公里……

科研人员为此付出了艰辛努力。

晚上10时许,上海核工院的办公楼里响起了悠扬的萨克斯音乐《回家》,工程设备所机械设备设计工程师陈宇清在电脑前置若罔闻,仍在细心地比对技术文件和图纸。

熟悉的夜晚,熟悉的音乐,熟悉的加班。

2015年,陈宇清承担起“国和一号”控制棒驱动线试验的技术攻关任务。为保证试验的准确性,任何外界,包括附近行驶车辆的干扰都要尽量避免。陈宇清带头从晚上8点钟开始做试验,直到凌晨3点钟结束。

看凌晨4点的上海,成了陈宇清的常态。他连续在试验台架处驻守了一个多月,最终圆满完成任务,为三代核电控制棒驱动机构自主设计奠定了坚实基础。

2016年2月,“国和一号”通过国内联合安全审评。同年4月,“国和一号”通过国际原子能机构通用安全审评,获得国际认可。

类似的奋斗图景,在“国和一号”科技攻关历程中,发生了太多回。无数个“陈宇清”毫无怨言地付出了青春与热血。

为实现核电软件自主化,国家电投中央研究院核电软件中心和上海核工院组建的联合团队历经十余载攻关,发布我国首套完全自主知识产权的核电厂核设计与安全分析软件COSINE工程测试版,得到行业普遍认可。

设备设计出来后却找不到能生产的厂家,也是一道大难题。其中,蒸汽发生器690U型管的研发生产就格外艰难。项目组最早想去国外采购,多次尝试未果,干脆横下心来自己做。一家能生产还不够,要几家都能做才行。

“每一种设备、材料的技术开发,都布局2至5家有竞争力与积极性的单位参与研制,我们从设计技术到制造技术与工艺来回多次迭代,引入竞争机制,用市场化的手段来推动相应的技术竞争,激发创新活力。”郑明光说。

共同成长打造自主创新体系

柴多火旺,力众海移。

一重、二重、沈鼓、哈电、上海电气、东方电气、中船重工、中航工业、宝钢、鞍钢……一大批身经百战的老牌“国家队”选手,和上上电缆、宁波天生等民企加入进来,锚定100%国产化,扛起重任。

通过产学研用协同创新,“国和一号”成功打破多项材料及设备制造技术垄断,主泵、爆破阀、反应堆压力容器、蒸汽发生器、反应堆本体及一体化堆顶组件、大锻件、核级锆材、690U型管等关键设备材料全部实现自主化设计和国产化制造,性能达到国际领先水平。

全球最大功率的蒸汽发生器、全球最大规格的爆破阀……一个个用“全球之最”来形容的高精尖设备,被烙上“中国印”、盖上“中国籍”。

通过设计工作牵引制造企业能力提升,又通过制造过程的经验反馈反哺设计水平提高,在相互作用、共同成长中,“国和一号”建成了先进的三代核电自主创新体系和产业链供应体系。郑明光表示,到2023年,“国和一号”将全面实现100%设备国产化能力,到2025年,建成“技术上最先进最安全、装备上完全自主可控、经济上有显著竞争优势”的三代核电产业链。

来源:科学导报

我国科学家在喜马拉雅地区发现超大型锂矿

锂矿,素有“白色石油”之称,是一种极其稀有的白色轻金属资源。目前,我国锂资源75%依靠进口。随着全球新能源产业的发展,锂资源需求量急剧增加。
日前,笔者从中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称中科院地质地球所)获悉,该研究所青藏高原科学考察研究团队在喜马拉雅琼嘉岗地区发现了超大型锂矿。该锂矿被认为“有望成为继南疆白龙山、川西甲基卡之后的我国第三大锂矿”,是“喜马拉雅首例具有工业价值的伟晶岩锂矿”。
就琼嘉岗超大型锂矿的一些问题,笔者采访了科研团队负责人、中科院矿产资源研究重点实验室主任秦克章研究员。

科学家是如何找到超大型锂矿的?

“我们在突破传统认知的科学理论的指导下发现了这个矿。”秦克章说。
他表示,此前,该锂矿之所以未被发现,主要是因为传统观点认为,喜马拉雅大面积淡色花岗岩的成因为沉积岩重熔、原地侵位,通常不作为找矿目标。
“青藏高原南缘东西延伸超过2500公里的喜马拉雅造山带中出露大规模的新生代淡色花岗岩,早已被第一次青藏科考所认识,但40多年来从未被作为稀有金属的找矿目标。”秦克章说。
中科院地质地球所吴福元院士研究团队经过十多年的考察研究,于2015年创立淡色花岗岩高分异成因理论,系统性提出喜马拉雅淡色花岗岩是高度结晶分异的花岗岩,是异地深成侵入体,这意味着该区域淡色花岗岩具有良好的稀有金属成矿潜力。该理论打破了传统观点。
“基于吴福元院士的新理论,我们开始在喜马拉雅淡色花岗岩带寻找稀有金属矿。”秦克章说。
随后,多家单位对区域岩体进行考察,发现20余处岩体含有稀有金属矿化,金属组合以铍—铌—钽(锡—钨)组合为主,其中错那洞锡—钨—铍矿床经评价达大型规模。尽管在为数不多的4处伟晶岩中发现了锂辉石矿物,但未发现具有工业价值的锂矿体。
针对喜马拉雅地区富铍贫锂的现状开展进一步研究,2020年,秦克章在对比总结我国阿尔泰、东秦岭稀有金属成矿带锂、铍矿共生分离规律的基础上,提出了“向强分异花岗岩的更远端、更高处找锂”的科学预判,优选远景区作重点检查,并在2021年夏季找到了锂矿。

超大型锂矿在哪里?

“我们在喜马拉雅穷家岗峰南西3000米的位置发现了这个锂矿。”秦克章说,出于赋予美好愿望的想法,科研人员根据“穷家岗”的谐音将锂矿取名为“琼嘉岗锂矿”。
秦克章介绍,他们发现了40余条宽度从10米到近百米的锂辉石伟晶岩带,它们组成了4条岩脉群和4条矿带。
“琼嘉岗锂矿的地表露头情况很好,因此我们可以清楚地看到长度、宽度和地表露头落差。4条矿带长度都超过1000米,其中2条矿带宽度大约在100米,集中分布在5390米至5581米的高海拔地区。”秦克章说。

超大型锂矿有多“大”?

一般来说,“大型”的锂矿所含的氧化锂资源在10万吨以上,那么,被称为“超大型”的琼嘉岗锂矿究竟有多“大”?
秦克章表示,矿体中氧化锂资源可达101.25万吨,“这个数值是根据保守估算的矿体体积和氧化锂资源含量算出来的”。
“之所以说‘保守’,是因为我们在估算锂矿体积时,长度只取了实际长度的2/3,宽度只取了实际宽度的1/2,厚度只取了推断深度的1/2,也就是说,总体积只取了1/6。”秦克章说。
在氧化锂含量方面,秦克章介绍,科研团队共选取了具代表性的59件样品,选取体积较大、结构具有代表性且矿物分布较为均匀的区域进行切割、粉碎,且单件碎样重量不低于1千克,然后,他们将每件粉末样充分混合均匀,最后按照测试所需的样品量取样测试。
分析结果显示,氧化锂含量平均值为1.30%。“全岩微量元素是在澳实矿物实验室和武汉上谱分析科技有限责任公司分别进行测试的,并在中科院地质地球所实验室复验,微量元素测量的相对误差小于10%。”秦克章补充说。
工业价值如何?

新发现的锂矿被科研团队评价为“喜马拉雅首例具有工业价值的伟晶岩锂矿”。那么,它的工业价值究竟如何?
秦克章表示,一般认为,氧化锂资源含量超过0.8%时,锂矿就具有开采的工业价值,他们采集的59件样品中,有44件样品的氧化锂资源含量达到了工业品位(0.8%以上),其中最高的一件样品的氧化锂资源含量达到了3.3%。
此外,他告诉笔者,矿体中除氧化锂之外,还有约3.98万吨铍资源,达到大型规模;约2358吨氧化钽资源,也达到大型规模;约7074吨氧化铌资源,为小型规模。而且,琼嘉岗矿体中90%以上的矿物组成为石英、钾长石和钠长石,以及部分云母,在新疆可可托海矿山这些矿物分别被用于制造玻璃、陶瓷和绝缘材料,该区主要造岩矿有望被有效利用,产生相应的经济效益,并大大减少废物排放。

来源:科学导报

高质量发展植入绿色基因——山西焦煤霍州煤电店坪煤矿推进环保工作侧记

走进山西焦煤霍州煤电店坪煤矿,无论是生产区还是办公区,处处绿树成荫,环境优美。以前尘土飞扬的矸石山已实现全面复垦,道路泥泞的煤场实现了全部硬化,冬天烧煤取暖的锅炉也更新换代成高能热泵锅炉……矿区的环境发生了翻天覆地的变化,无怪这里的职工都感叹道:“我们在这里工作了很多年,矿区面貌发生了翻天覆地的变化,居住环境舒适宜人,都不想出去了。”
多年来,店坪煤矿以“创建绿色矿山”为目标,坚持树立和践行绿水青山就是金山银山的奋斗理念,努力建设环境保护管控长效机制,积极解决影响矿井发展和职工健康的各项环境问题,不断提高全体干部职工的环保意识,持续污染物总量减排,坚决落实各级环保责任,切实改善了矿区环境质量。
“我们不但要收获金山银山,也要保护绿水青山!”该矿负责人的话语掷地有声、振奋人心。
店坪煤矿以可持续发展和循环经济思想为指导,国家和地方有关行政法规、技术规范为标准,树立“抓环保和抓安全同等重要”的理念,将保护环境作为企业发展最大的政治、最大的责任、最大的效益。用实事求是的科学态度开展环境保护、污染防治工作,坚持以“达标排放、增产不增污、总量控制”的原则,保护生态环境和控制污染排放为重点,做到发展与环保同步、生产和治污并举,累计环境治理设施项目投资共3686万元,将环保工作步入全面绿色发展之路。
绿水青山就是金山银山,为竭力保护矿区的碧水蓝天,店坪煤矿结合实际,整体规划,使矿区面貌大为改观,年年植树木、种花卉,实现了“种植一片、成活一片、绿化一片、见效一片”。
2008年5月,店坪煤矿建成投产生活水处理站1座,设计能力为1000m3/d,处理工艺为“生物接触氧化法+MBR膜过滤+消毒”工艺,处理后的回水主要用于矿区绿化及洒水。2008年10月建成投用矿井水处理站1座,采用“混凝+沉淀+过滤+消毒”工艺。经处理后的达标水一部分用于井下生产。将污水处理后循环使用,既变废为宝,而且实现了污水零排放,最大限度地减少了环境污染。2020年,该矿污水处理站全年总处理量105万吨,其中COD去除量为191.1吨,去除率91%,氨氮去除量22.19吨,去除率96%。污水处理站的投入对方山县的环境保护起到了良好的环境效益和社会效益,大大改善了北川河的水质,为吕梁市水污染作出了贡献。
为有效防治大气污染,强化厂区扬尘治理,店坪煤矿在大气有组织粉尘排放污染方面,采用地源和水源热泵机组为该矿的热量供应设施。2013年1月热泵机组投入使用,利用“热能搬运”的形式将矿井排水和矿井回风热量转移,通过将矿井废热回收,保证了职工取暖、洗浴。2018年总投资348万,将原有燃煤锅炉取缔,新增污水源热泵机组、电锅炉、空气源热泵,直热式风机,充分满足职工热水供应和冬季清洁供暖,实现了无燃烧、无排烟,同时又减少了废渣、废水、废气和烟尘的产生。燃煤锅炉的取缔,全年减少了烟尘排放量3.17吨、二氧化硫12.63吨、氮氧化物23.78吨、工业粉尘21.16吨。废热回收,这项措施不仅有效利用了资源,达到了变废为保的目的,同时污染物零排放,减轻了大气的污染,实现了循环经济的综合利用。在原煤输送环节中,店坪煤矿在原煤储煤场东北侧,投资1700万元,修建一座全钢结构原煤筒仓,形成一个封闭的储煤系统,可储量为10000吨,用于原煤装车运输;西北侧设置了12m高半封闭挡风抑尘墙,有效控制原煤储存设施、运输环节的粉尘扩散,减少了煤尘飞扬对大气的污染。
无组织粉尘治理设施方面,通过采取保持路面完好、密闭运输、道路清扫、洒水等综合性降尘措施,有效控制了储煤场、运煤公路的扬尘污染。在储煤场设置场地喷雾降尘设施、出场车辆轮胎清洗装置、确保生产原煤不落地、出场车辆全部清洗轮胎,有效控制煤场扬尘污染。投资260万元硬化运煤公路1600米;投资138万元购入吸尘车一辆、洒水车两辆,对矿区内运煤公路及厂区进行不间断清扫和洒水降尘,大大减少了对矿区及周边村庄的污染,并在道路两侧栽植行道树,适地种树,建立了良好的企业形象。
店坪煤矿地处山丘地区,处理矸石经济有效地方法就是将矸石填沟造地,对矸石山进行了彻底治理。矸石厂位于矿井工业场地东北方向的山沟内,在矿井建设以及正式投产以后,所有矸石送往矸石场处置,分区填埋处理,以防止矸石自燃或造成其他环境污染。黄土覆盖后,种植树木、草丛、农作物等进行绿化处理,有效防止了水土流失。同时对矸石山堆场规范化建设,并在荒沟沟口设置80米黄土栏矸坝一座,形成占地2.0hm2、汇水面积0.2hm2、库容70万m3的存矸场,现存煤矸石41万吨。按照分层覆土表层恢复植被的方式对堆存煤矸石进行处理,复垦取土采用挖掘机取土。截至目前累计投入430万元,复垦面积3200平方。一般固体废物排放标准符合《一般工业固体废物贮存、处置污染物控制标准》(GB18599-2001)。专用危废库房位于工业广场北侧,占地面积为150m2,采取防渗漏、防流失、防杨散的措施对废矿物油等危险废物进行暂存,并按规定安全处置。危险废物严格执行《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》《危险废物转移联单管理办法》《危险废物贮存污染控制标准》(GB18597-2001)。
在噪声处理上,店坪煤矿针对产生噪声的风机设施,采取车间降噪处理和厂房外增加围挡建筑防止噪音扩散。
同时,店坪煤矿积极推进绿色低碳发展,开展生态监测和生态恢复治理工作,按照环评监测计划定期开展污染源环境监测工作,包括井田范围内地表沉陷、裂缝和居民饮水观测等。加强生态环境风险防控,开展“碳达峰、碳中和”行动,加强污染事故防范意识,提高企业应对突发环境事件的能力,保证废气、废水、废渣不对周围环境造成污染。
店坪煤矿环保系统坚定不移走生态优先、绿色发展之路,让绿色成为企业高质量转型发展最鲜明底色,以生态环境高水平推动企业高质量发展。

来源:科学导报


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