2015年8月,中國核動力研究設計院非能動氫復合器研發組第6次向核電站遞交了標書,這是該院自主研發的非能動氫復合器向應用于三代核電站邁出的又一大步,此前,該產品已中標4次。自研發成功贏得第一個標書后,核動力院已逐漸成為國內最大的非能動氫復合器供貨商。
2011年發生的日本福島核事故,使“嚴重事故條件下氫氣控制措施”成為備受業界關注的方向之一,而在此之前,核動力院就已敏銳覺察到作為控制核電站嚴重事故工況下產生的氫氣濃度的非能動氫復合器的廣闊市場和前景。
作為核電廠安全殼內重要的專用安全設備,我國核電站非能動氫復合器的研發和供貨一直被少數廠家壟斷。
2009年7月,核動力院二所六室決定將非能動氫復合器的自主研發作為開發核電市場的主要方向,確定開展二代改進型核電廠用非能動氫復合器的研制工作。六室成立了專項攻關組,開始摸索技術路線。2010年3月,核動力院以技術開發基金予以支持,正式立項研發。
零的突破
非能動氫復合器的關鍵之一是催化板的研發,不但要滿足反應堆安全殼內嚴重事故后的環境條件,還必須具有非能動條件下啟動、啟動溫度低、消氫速率快等一系列指標。
但是當時的研發隊員大多是年輕人,而且沒有一個是催化劑專業出身,一切都要從零開始。他們先從理論開始,廣泛調研國內外非能動氫復合器研發狀況,學習消化氫氣催化理論,虛心請教催化行業專家,并結合核電廠對該設備技術規格書的要求,制定研制方案,確定技術路線。由此,開始了非能動氫復合器研發的第一步。
在解決催化劑涂覆技術這個最關鍵的難題中,大半年過去了,研發人員還一直停留在理論階段,沒有取得任何實質進展,好不容易找到一家有實力的廠家,卻只答應嘗試一下,不承擔研發失敗的責任和后果。
有希望就不放棄。研發團隊先后派出多名技術人員進駐廠家,現場攻克技術問題,利用合作伙伴的專業設施,經過無數次反復摸索、試驗、改進,最終大幅提高了催化劑與基材的結合力,該性能還超過了國外同類產品。此項技術,也成為核動力院非能動氫復合器的最大技術特點,并成功申請發明專利。
從零開始最終取得了零的突破。
馴服氫爆
催化板制造出來后,在常溫條件下的消氫驗證試驗是事關研發成敗的又一關鍵。
馴服氫氣可不是一件容易的事。第一次消氫試驗時,由于欠缺經驗,一個很小的誤操作使得氫氣流速過快而發生了爆炸,連接管路的一個小三通被炸得粉碎,在場的試驗人員都嚇呆了。這是大家第一次近距離感受氫氣爆炸的威力和難以馴服的“脾氣”。
心有余悸的同時,大家驚喜地發現催化板在常溫條件下消氫了。研發人員們喜不自禁,開始著手對試驗方案進行修改和論證,準備開展第二次驗證試驗。然而,在一周后的改進裝置試驗中,新換的催化板又不消氫了。瞬間,高漲的情緒跌入了谷底。
“哪個環節出了問題?我們能做出來嗎?人力、時間的投入會白費嗎?”無數的疑問不停拷問著研發團隊,他們逐一排查了所有步驟和節點之后發現,第一次試驗之所以消氫成功,竟然是那個可怕的爆炸導致的,由爆炸引起的催化板的改性使其能夠在常溫條件下穩定地消氫。
這又回到了起點,究竟什么原因促使催化板在常溫下消除氫氣呢?在大量理論文獻查閱中,研發人員發現有可能是一種化學制劑改變了催化劑的狀態,提高了貴金屬催化劑的活性,使其具備常溫條件下消氫的功能。循著線索追下去,大家決定試試。
化學品的存放和使用都有非常嚴格的要求,那段時間,經常可以看到戴著防護面具的研發人員出出進進,有時會嚇人一跳。一個月后,經過無數次的失敗與工藝改進,催化板常溫啟動的問題終于得以成功解決。
沖破難關
接下來,研發進入最后關頭,即將進行的非能動氫復合器樣機的驗證試驗能否成功關系著整個研制的成敗。而試驗中,非能動氫復合器的啟停閾值和消氫速率是最關鍵的技術指標。
開展啟停閾值試驗時,反應容器中氫氣濃度緩慢上升,1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%,“切斷氫氣供應”,一聲令下,時間仿佛停止了一樣,所有的研發人員都屏住呼吸,瞪著“僵尸眼”注視監控畫面中的氫氣濃度和溫度值的變化,10秒、20秒、30秒,終于,在大家期盼的眼神下,氫復合器出口溫度開始上升,氫氣濃度下降了,“非能動氫復合器啟動了,滿足要求!”隨著一聲宣告,大家懸著的心頓時落下。
消氫速率試驗是難度最大、危險性最高的一個試驗。開啟試驗后,隨著反應容器中氫氣濃度緩慢上升到3%,氫氣復合器開始工作,反應容器中的溫度、壓力也伴隨升高,所有試驗人員也開始緊張起來。氫氣濃度又上升到4%。“會不會發生爆炸?爆炸后會造成什么后果?”沒有人開展過類似試驗,試驗后續會如何發展更無法預測,盡管已采取了各種安全措施,試驗人員仍萬分緊張。隨著時間的推移,反應容器中氫氣濃度、氧氣濃度、壓力、溫度等參數終于逐漸穩定下來,試驗達到了預期效果,研發團隊成功獲得了非能動氫復合器的消氫速率。
短短四個月時間里,研發團隊完成了20余項針對性的非能氫復合器驗證試驗,逐步攻克了啟停閾值試驗方法設計、穩態消氫速率試驗方法設計以及試驗裝置建設中氫氣和氧氣混合、嚴重事故后安全殼環境條件模擬以及氫氣在爆炸范圍內的濃度控制及測量等關鍵技術難關。
2011年12月23日,核動力院自主研發的“PARQX核電廠非能動氫復合器”在成都通過產品鑒定。專家評審組組長、中國工程院院士葉奇蓁宣布:“核電廠非能動氫復合器的研制成功,對提高核電站應對嚴重事故能力具有重大意義,鑒定委員會一致同意該項目通過鑒定。”該項研發成果也被評為中核集團科技進步二等獎和2012年十大創新性成果之一。
依托非能動氫復合器研發成果,核動力院還成功申請了能源局核電標準《非能動氫復合器鑒定試驗規程》的編制,預計2016年5月正式發布。這標志著該院在非能動氫復合器研究領域處于技術領先位置,引領了國內非能動氫復合器的發展。
一個核電產品的研發成功和應用,是多專業協同努力的結果。非能動氫復合器涉及到二所化工、材料、機械、熱工、力學等多個專業領域,同時得到了所領導和各級管理部門的大力支持,經過幾年的努力,核動力院自主研制的非能動氫復合器不僅完成了對國內核電站的批量生產供貨,還成功實現了海外供貨。
如今,二所六室課題組已從非能動氫復合消氫技術研究擴展到嚴重事故下的氫氣控制措施研究,包括嚴重事故下的氫氣在線監測技術、非能動消氫技術、能動式氫氣點火技術研究等,并將在后續的工作中取得更大的成績。
標簽:核動力院 非能動氫復合器
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