在位于成都的中國核動力研究設(shè)計院內(nèi)，鐘元章（右）與團(tuán)隊年輕人在試驗臺架上交流（2024年5月24日攝） 劉坤攝/本刊

為核電站裝上中國“心”

1988年底，鐘元章被派往國外學(xué)習(xí)。

“別人教的都是淘汰的知識，只提供一些理論和老圖紙作為參考，他們設(shè)計的產(chǎn)品也僅僅適合本國企業(yè)的生產(chǎn)工藝，設(shè)備能力和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都自成一套，不適合中國國情。”鐘元章說，比如在反應(yīng)堆壓力容器上，國外設(shè)計的用來探測容器材料受中子輻照影響程度的探測器，國內(nèi)沒有與之相匹配的生產(chǎn)能力，“中國需要擁有自己設(shè)計的探測器”。

此次國外學(xué)習(xí)之旅，讓鐘元章認(rèn)識到國產(chǎn)化的重要性?；貒?，他的第一個任務(wù)就是參與設(shè)計研發(fā)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的508-Ⅲ鋼。

508-Ⅲ鋼，是一種用于制造核電站反應(yīng)堆壓力容器的特殊鋼材，須具有耐高溫、耐高壓、耐輻照的特性，是反應(yīng)堆乃至整個核電站的重要安全屏障，此前主要依賴于進(jìn)口。

1979年美國三哩島核電站事故、1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故和2011年日本福島核電站事故，是人類核電發(fā)展歷程上三次重大事故。它們的問題都出在反應(yīng)堆上。發(fā)生事故時，燃料組件熔化，熔穿反應(yīng)堆壓力容器，釀成大禍。

“我深感自己責(zé)任重大?！辩娫抡f。要做出直徑約4米、高10多米、厚約20厘米的高性能“大罐子”談何容易。

鐘元章和同事們需要考慮鋼材的化學(xué)成分、達(dá)到的力學(xué)性能、如何檢測性能等各方面情況，結(jié)合工廠的設(shè)備能力和工藝水平，將設(shè)計方案交給工廠，由工廠來煉鋼、鍛造成型、熱處理……用多少溫度來燒？燒多久？鍛造成什么樣的形狀……鐘元章要與工廠反復(fù)調(diào)試，達(dá)不到性能要求就重新擬訂研究方案。

反應(yīng)堆壓力容器試驗件重達(dá)四五十噸，要保證成分和力學(xué)性能在試驗件各個部位的均勻性，其中淬火工藝十分關(guān)鍵。把試驗件放到水里冷卻處理，水溫多少？水是流動還是靜止？全部淹沒還是噴水……每一個參數(shù)變化對材料性能都將產(chǎn)生較大影響，“僅淬火一個環(huán)節(jié)，我們就花費了大量人力物力和時間來反復(fù)試驗?！辩娫抡f。

那段時間，鐘元章經(jīng)常去工廠，為了方便工作，他吃住都在工廠?？礄C械加工、焊接是否達(dá)到設(shè)計要求，與技術(shù)工人一起想辦法完善試驗方案。最多的時候，他一年有兩百多天在工廠度過。

“花再長時間也得做，國產(chǎn)化是必須要實現(xiàn)的，不能始終依靠進(jìn)口?！睉驯е@樣的信念，鐘元章與同事們二十年磨一劍。

2011年底，秦山核電站二期擴建工程全部建成并網(wǎng)發(fā)電。秦山核電站二期擴建工程所建3、4號機組，與秦山核電站二期工程所建1、2號機組相比，設(shè)備國產(chǎn)化率由55％提高到70％以上，其中就包含了由508-Ⅲ鋼制造的反應(yīng)堆壓力容器，中國核電站的“心臟”實現(xiàn)了中國造。

極致攻關(guān)鑄就國之重器

當(dāng)中國第一座30萬千瓦級壓水堆核電站——秦山核電站開始發(fā)電，中國核電人都在思考一個問題——什么時候中國能有自己的百萬千瓦核電機組？

帶著這一思考與盼望，包括鐘元章在內(nèi)的眾多核電人以“強核報國、創(chuàng)新奉獻(xiàn)”為己任，迎難而上、攻堅克難，中國核電事業(yè)迎來了大發(fā)展時期。

鐘元章說：“在這一時期，中國核電的許多技術(shù)指標(biāo)不斷精進(jìn)，很多設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，基本達(dá)到了當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)水平的極致，這些都為‘華龍一號’問世打下了堅實基礎(chǔ)。”

仍以反應(yīng)堆壓力容器材料為例，508-Ⅲ鋼里面的雜質(zhì)元素影響材料性能，尤其是銅屬于有害元素，輻照后會使材料脆化，其含量越低，反應(yīng)堆壓力容器的使用壽命越長。鐘元章介紹：“按照最初的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，銅元素含量是0.08%，我們攻關(guān)了近4年，讓該指標(biāo)降低到了0.05%?！?/p>

再如508-Ⅲ鋼里面的鈷元素，受中子輻照后會活化，產(chǎn)生元素變異，生成帶有放射性的物質(zhì)，對人員和環(huán)境產(chǎn)生影響。“雖然放射指標(biāo)在安全范圍內(nèi)，但為了進(jìn)一步減少對操作人員的影響，我們又攻關(guān)了兩年多，把鈷的含量從0.03%降到0.02%。含量只下降了0.01%，放射性卻減少了近50%?！辩娫抡f。

為了追求百分之零點零幾的極致指標(biāo)，鐘元章率團(tuán)隊與生產(chǎn)企業(yè)一起，對設(shè)備的生產(chǎn)原料進(jìn)行了極為嚴(yán)苛的篩選，篩選后的礦石原料經(jīng)過反復(fù)熔煉、檢測，最終達(dá)到了設(shè)計要求。

這種極致追求，不僅體現(xiàn)在現(xiàn)有性能指標(biāo)的精進(jìn)上，還體現(xiàn)在零部件從0到1的設(shè)計創(chuàng)新上。反應(yīng)堆壓力容器這個巨型“罐子”里面裝有一百多組核燃料組件。為了保證反應(yīng)堆安全，“罐子”由“罐身”和上部的“蓋子”組成，兩者之間需要有耐高溫、耐高壓的密封環(huán)。

鐘元章說：“早期核電站用的密封環(huán)其截面是O型的，均從國外進(jìn)口。我們同國內(nèi)企業(yè)一道，設(shè)計研制了國產(chǎn)C型密封環(huán)。經(jīng)過一系列試驗，證實我們做的C型密封環(huán)密封效果更佳。更重要的是，密封環(huán)是耗材，每次反應(yīng)堆‘開蓋’換燃料就要更換密封環(huán)，現(xiàn)在的價格不到進(jìn)口密封環(huán)的一半，降低了核電站的運營成本。”

……

科研人員們多年來不斷創(chuàng)新，不斷更新的幾千份設(shè)計文件和圖紙，最終凝結(jié)成這個400多噸的“大罐子”，核燃料在這里面發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，加熱高速流動的一回路水，一回路的高溫高壓水通過蒸汽發(fā)生器再加熱二回路的水，從而產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)出點亮萬家燈火的核電。

在積累大量經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，2010年，鐘元章被任命為“華龍一號”的副總設(shè)計師，負(fù)責(zé)整個反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)包括了反應(yīng)堆壓力容器、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、堆頂結(jié)構(gòu)、外圍的保溫層以及堆外核測裝置等部分，使用了近千種、上萬件零部件，在鐘元章的帶領(lǐng)下，這些零部件國產(chǎn)化率達(dá)到100%。

實現(xiàn)國產(chǎn)制造的同時，在“華龍一號”的設(shè)計中，鐘元章繼續(xù)追求性能極致。比如要提高發(fā)電功率，就要有更多燃料組件，為裝下更多的燃料組件，就要增大反應(yīng)堆壓力容器。

鐘元章說：“‘華龍一號’反應(yīng)堆壓力容器的直徑較上一代增加了約40厘米，不要小看這40厘米，這不是簡單的放大。容器‘個頭’大了，它的生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo)都要隨之提升?！?/p>

邁過重重難關(guān)，“華龍一號”作為第三代百萬千瓦級核電技術(shù)，所有的結(jié)構(gòu)性能、技術(shù)指標(biāo)都超過以往機組，它是中國核電人過去三十多年里辛勤付出的集大成。

退而不休 勇攀高峰

2023年，年滿60歲的鐘元章正式退休。然而，鐘元章退而不休，繼續(xù)將精力和熱情投入到“華龍”后續(xù)機型的設(shè)計研發(fā)當(dāng)中。

“因為核電項目的特殊性，我們設(shè)計研發(fā)的所有零部件、設(shè)備要在長時間試驗中確定其性能的穩(wěn)定性、可靠性，一項研發(fā)工作，少則一兩年，多則十幾二十年，甚至更久。我到了退休年齡，但我還有很多持續(xù)多年的項目和新的構(gòu)想想要去完成?！辩娫抡f。

核電站建設(shè)的設(shè)計工作，首要是保證安全性，其次是提高經(jīng)濟(jì)性。據(jù)鐘元章介紹，“華龍”后續(xù)機型的研發(fā)，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)主要圍繞結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料性能提升，在確保安全性的前提下，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性。

提高經(jīng)濟(jì)性的路徑，一是提升功率，二是提升核電站使用壽命。

“華龍一號”反應(yīng)堆上的零部件多達(dá)上萬個，絕大部分都是非標(biāo)準(zhǔn)化，為實現(xiàn)提升功率和使用壽命的設(shè)想，每一個零部件都融入了科研人員大量的心血。

以反應(yīng)堆內(nèi)的一個長約10厘米的控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪為例，最初設(shè)計壽命為280萬步，中期是610萬步，后來實現(xiàn)了1200萬步?？蒲腥藛T繼續(xù)攻關(guān)，通過大量試驗，最終將該部件的使用壽命延長到1800萬步。整個過程長達(dá)四年之久，僅完成1800萬步的帶載荷耐磨試驗就耗時半年。

“再比如反應(yīng)堆里放了48根堆芯探測器，每次更換核燃料的時候都需要取出來。以往探測器的更換拆除需要一周左右，為此我們研發(fā)了專用的探測器拆除裝置，實現(xiàn)了自動化，現(xiàn)在48小時就能完成，換料停堆時間縮短增加了發(fā)電時間，核電站效益得到提高。”鐘元章說。

以控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪和探測器拆除裝置為代表，科研人員對“華龍一號”的改進(jìn)隨處可見——從優(yōu)化反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)上下功夫，將堆內(nèi)測量的貫穿件，從壓力容器底部變到了頂部，提升反應(yīng)堆安全性；增加控制棒驅(qū)動機構(gòu)的數(shù)量，增加燃料組件組數(shù)，提升反應(yīng)堆功率；將驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼體從以前的三段式，改為兩段式，減少焊縫增加其可靠性，提升使用壽命……

鐘元章介紹，從2015年5月，“華龍一號”落地福清核電站到現(xiàn)在，開工建設(shè)的每臺“華龍一號”機組，其設(shè)計都迭代進(jìn)步，科研人員不斷將經(jīng)驗反饋到后續(xù)項目中，“華龍”后續(xù)機型也將會秉承前路，不斷提升安全性和經(jīng)濟(jì)性。

這是一個創(chuàng)造性的超級工程，更是一張閃亮的國家名片?！叭A龍一號”每臺機組每年發(fā)電近100億度，能夠滿足中等發(fā)達(dá)國家100萬人口的年度生產(chǎn)和生活用電需求，相當(dāng)于每年減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗312萬噸、減少二氧化碳排放816萬噸。

如今，“華龍一號”批量化建設(shè)正在如火如荼地推進(jìn)中，第四代核電攻關(guān)成果也已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

昔日青年的美好愿景，如今已成為現(xiàn)實。

“責(zé)任重大，使命光榮?！笔晴娫聦ψ约簬资旯ぷ鞯目偨Y(jié)，也將伴隨他和我國的核電事業(yè)繼續(xù)勇攀高峰。■