2017年1月9日,2016年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行,“动力堆乏燃料后处理中间试验厂设计与建造”荣获国家科学技术进步二等奖。此项目由中国核电工程有限公司、中核四〇四有限公司、中国原子能科学研究院、清华大学共同完成。该项目的圆满成功实现了后处理技术的重大突破和跨越,是我国核领域的重大创新。由于此项技术的突破,我国掌握了动力堆乏燃料后处理技术,对实现我国核燃料闭式循环,保证核能可持续发展,具有重大的战略意义。
乏燃料后处理是从核反应堆使用过的乏燃料中提取有用的铀和钚,最终转化为二氧化钚和三氧化铀产品,可为快堆提供MOX燃料元件,大大提高铀资源的利用率。乏燃料后处理可有效降低废物的体积、放射性和毒性,保护环境安全。
上世纪80年代,国务院科技领导小组作出了“发展核电必须相应发展后处理”和“建立完整的核燃料循环体系”的重大决策,经过近30年的不懈努力与艰苦奋斗,最终建成了我国第一座具有完全自主知识产权的乏燃料后处理厂。这项历经30年的庞大工程包含的艰辛和曲折难以想象,而攻坚克难过程中体现出的智慧和精神力量也是超乎寻常的。
“宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来”
后处理厂建设基地距嘉峪关市中心尚有百公里以上距离。在中核四〇四有限公司第三分公司门前伫立着一块石碑,碑上用红漆写着“动力堆乏燃料后处理中间试验厂”,字迹瞩目而庄严。举目望去,一座浅蓝色的建筑静静伫立,它,就是后处理的主角。
2010年,“动力堆乏燃料后处理中间试验厂”热试验获得圆满成功,标志着我国完全掌握了动力堆乏燃料后处理核心技术。该项目是在我国生产堆研究、设计、建造、运行的基础上,经过老、中、青后处理技术人员近30年的不懈努力才完成的,凝聚了几代人的智慧和汗水。该项目工艺流程、关键设备、电气仪控、安全技术具有完全自主知识产权,其技术水平和产品指标达到国际同类设施的先进水平。
该项目成果获申请发明专利83项,实用型44项,授权65项,国防科技奖32项,于2015年先后获得中核集团科技特等奖、国防科技进步一等奖;其成果可应用于200吨/年后处理厂和800吨/年后处理厂的建设,成为重要的热验证平台和后处理人才培训基地,将为我国后处理事业继续贡献其巨大的价值。
从开始科研、立项、设计到热试验的最终成功,项目花费了近30年的时间,时间之久、结构之复杂前所未有。由于设计和安装人员要长期驻守现场,他们选择离厂区不远的地方作为驻点。除了厂里的工作人员,其他设计人员大都来自北京,一待就是好几年,一年只能回家一两趟,跟家人长期分居使他们在情感上备受煎熬。白天要在现场配合土建和设备安装,晚上还要挑灯夜战整改各种方案。然而周而复始的工作、高强度的压力并没有打垮任何一位工作人员。在他们心中,后处理厂就像他们的孩子一样,唯精心哺育,方能成大器。
春天黄沙漫天,夏日炎热干燥,冬季寒风凛冽,厂区的天气也总跟他们作对。严酷的工作环境,加之废寝忘食的工作,好多工作人员的身体开始吃不消,但他们毅然坚守在岗位,下现场、做方案,坚守着坎坷之后必将成功的信念,执着于后处理的伟大事业,几代科研人几十年如一日。西北戈壁滩紫外线较强,工作人员白皙的脸颊慢慢变成深色,日日夜夜的劳累让他们的脸上挂上了倦容,然而艰辛过后成功到来时,他们的笑容总是那么灿烂动人。
“困难围我千万重,我自岿然不动”
中试厂处理的动力堆乏燃料235U含量高,燃耗深,放射性强、毒性大,裂片元素和超铀元素种类多、含量高,核临界安全问题突出,给工艺过程、专用设备、监测控制、料液输送、厂房布置、放射性屏蔽和核辐射安全带来了巨大的困难。由于所处理料液具有放射性,大部分工艺设备全屏蔽在混凝土做的设备室或热室内,操作人员必须在箱室外进行远距离操作以保证人员辐射安全。另外,为了保证核安全,还需对工艺运行过程进行全面系统的事故分析和采取相应预防和缓解措施。所以,该项目是一项工艺工程十分复杂、技术难度极大的高科技系统工程。
如此庞大复杂的工程必须要进行分解,从工艺流程、厂房设计、关键设备和仪表的研制加工与安装、调试整改、运行,工作人员既得顾全大局,又需从细微处着手。经过无数次的讨论、论证及试验,最终确定工艺流程方案、布置方案,设计加工各种设备,顺利完成了调试,成功实现了工厂运行。
在实验室实验、台架温试验和热试验基础上,设计人员经过详细的分析论证,一步步创立了具有自主知识产权的后处理主工艺流程,开创性地采用机械剪切-化学溶解-离心澄清技术,化学分离采用首创的2-3萃取流程,并采用无盐还原试剂及回流萃取技术,工艺流程经热试验验证,净化指标和产品收率均满足设计要求,获得了合格的铀钚产品。
工艺流程需要具体设备去实现,实现工艺功能必须保证设备参数的精确及加工制造的质量,由于料液的强放射性、腐蚀性和高毒性,对设备的耐酸、耐腐蚀、密封性能、远程可操作和维修性提出了严苛的要求。后处理厂设备种类多,有剪切机、溶解器、沉降离心机、脉冲萃取柱、混合澄清槽等工艺和机械核心设备;空气升液器、高吸程蒸汽喷射泵等免维修输送设备;非接触式测量设备;机械手、检修容器、α密封等远距离操作维修设备。这些设备加工难度大,在应用于工程之前需要进行科研试验及工程验证。由于项目时间紧迫,从设计图纸、加工制造、试验验证,工作人员争分夺秒、加班加点做试验。功夫不负有心人,最终他们成功取得了这些设备的工艺操作参数和科研样机,并成功应用于后处理厂。
设备的安装和调试是极为关键和困难的环节,成百上千张的图纸,需要一一仔细核对,才能将图纸转化为后处理厂中的各项设施。为了赶工程进度,设计人员、土建施工和设备安装人员绞尽脑汁,齐心协力,废寝忘食,逐个解决施工安装中遇到的问题。调试过程往往比较繁琐且反复,达到一个工艺参数往往需要很长时间的反复调试,期间有诸多“疑难杂症”需要耐心去分析、判断,从单体试验到联动试验,再到最后的运行,工作人员沉着冷静,不畏劳苦,最终完成了万里长征的最后一步。经过调试运行,所有设备经受住了强放射性环境下运行的考验,性能稳定,安全可靠,满足了设计的工艺要求,技术指标达到国际先进水平。
另外,为确保核安全,设计人员自主建立后处理厂安全体系,首创后处理厂建(构)筑物、系统和部件安全分级、抗震分类、质保等级,首次确定了设计基准事故和严重事故,采取多种预防和缓解措施,执行单一故障准则和双重偶然性原则,极大程度上控制了安全事故的发生,达到了国际核安全先进水平。(张兆清 侯留东)