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特种水泥系列报道ㅣ核电水泥:走在钢索上的材

2021-03-15 02:32 作者:赢德体育官方网站 点击:

  1970年春节前夕,一份紧急报告送到了周恩来总理的案头,报告从各个方面论证了上海的电能危机已经到了“火烧眉毛”的局面:华东地区人口占全国30%,工业产值占全国40%,能源产量却只有全国的7%,煤炭的超负荷运载给华东铁路运输带来了巨大的压力,能源却依然供不应求,而西南地区的水力发电又是远水解不了近渴,不少企业因为缺电不得不“开三停四”,严重制约了经济发展。72岁的周总理眉头紧锁,他意识到,一定要发展清洁、可持续、能稳定供应的能源。

  1970年2月8日,上海市传达了周恩来总理指示:“从长远来看,要解决上海和华东用电问题,要搞核电。”这一天,作为新中国核电发展的开端被记入了史册;这一年,也成为了新中国核电事业元年,距今刚好过去半个世纪。

  半个世纪后,47座正在运行的核电站源源不断地向祖国输送电力,13座在建核电站蓄势待发,还有更多拟建核电站正在围绕能源计划徐徐展开。经历了漫长的50年,面对西方世界的技术封锁,突破了核能科技的桎梏,中国核电从无到有,在黑暗中探索,逐步形成了一套属于自己的体系。在这之中,也包含了建材科研人员不可磨灭的功绩。作为新中国第一家建材行业的科研机构,同时也是国内建筑材料与无机非金属新材料专业最大的综合型研究机构和技术开发中心,中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称“中国建材总院”或“总院”)也在核电站建设领域默默贡献。

  此前,央视的《国家记忆》栏目推出了“揭秘新中国首座核电站”系列节目,详细讲述了秦山核电站从筹备到建设完成全过程的辛酸曲折。这座充满传奇的核电站结束了中国大陆无核电的历史,使中国成为继美国、英国、法国、苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。节目第三集中提到了秦山核电站安全壳的设计,安全壳即核反应堆安全壳,又称安全厂房、安全掩体等,是构成压水反应堆最外围的建筑。简而言之,安全壳包裹着核电站最核心同时也是最容易发生危险的核反应堆,是核电安全的最后一道屏障。一旦发生核泄漏的恶性事件,这个由混凝土搭建而成的“金刚罩”就必须担任起隔绝放射性物质的重要任务。

  秦山核电站建设时期,由于海外技术的封锁,工程师不得不自主研究设计安全壳,通过不断地查阅论证和试验,在有限的信息中,秦山核电站最终选择了由预应力混凝土浇筑而成的直立式圆筒型预应力混凝土耐压结构安全壳。

  中国核电事业发展至今,安全壳也因地制宜地延伸出了许多类别,但作为核电安全的最后一道防线,其必须具备高强度、无裂缝等特性。水泥作为安全壳的重要建筑材料,必须拥有更加强大、稳定的性能。除了安全壳,水泥还是核岛、阀基等核心部位的建筑材料,这也是水泥行业面对的全新挑战。

  1978年12月4日,会见了法国外贸部长弗朗索瓦一行,并在回答法国记者问题时公开宣布:中国已决定向法国购买两座核电站设备。1987年,大亚湾核电站正式开工,不同于秦山核电站的在黑暗中摸索,大亚湾核电站成为了中国首座引进先进技术、设备和资金建设的大型商用核电站,全套引进了当时在世界核电领域技术领先的法、英、美三国相关技术和原材料。

  我国在岭澳核电站之前的秦山一期、大亚湾核电站主体工程中均采用进口水泥,不但运输不便,且成本高昂,同时也制约着民族水泥工业的发展,发展国产核电水泥刻不容缓。通过不断地技术摸底和研究吸收,中国建材总院特种水泥团队逐步掌握了核电水泥的性能与生产工艺,在淮海中联有限公司、抚顺水泥股份有限公司等多家生产单位进行了工业化生产,并逐步运用在田湾、红沿河等核电工程建设中。

  为了实现核电水泥国产化,在总结和凝练“十二五”课题成果的基础上,中国建材总院联合淮海中联水泥有限公司、安徽海螺股份有限公司等生产单位以及中广核工程有限公司、国核电力研究院等工程设计和施工单位制定了全球首个核电工程建设用水泥标准——GB/T 31545—2015《核电工程用硅酸盐水泥》国家标准,以指导核电水泥的生产和应用。该标准的发布实施有利于规范我国核电工程用硅酸盐水泥(简称“核电水泥”)的生产和质量控制,推动水泥行业转型升级,提升我国核电工程用水泥和混凝土质量,也统一了工程单位对核电水泥的采购标准,更加有利于提高核电工程的耐久性和使用寿命,对保障核电站的长期安全运营起到重要作用。

  近年来,中国建材总院特种水泥团队征战了国家多个重点工程领域,可谓战功赫赫。为了更好地服务国家建设,这支由10多人组成的战斗精英小队针对国家具体需求,研发制定了多项特种水泥的技术标准,通过技术转让、驻厂监造等形式为国家重点工程护航,核电水泥就是其中一种。而说起核电水泥的发展历程,中国建材总院水泥新材院特种水泥所所长王敏连说了两个“难”。

  一难,难在核电水泥的技术基础。用王敏的话来说:要达到核电工程所需要的完美性能,需要在制备水泥时达到一系列苛刻的平衡,这就如同走钢索一样。

  中国核电事业起步较晚,前期处于技术摸索与技术引进阶段,在吸收转化的过程中,中国建材总院特种水泥团队人员发现,核电水泥需要具备低水化热、高早强、抗硫酸盐侵蚀性强、低碱含量、干缩性小等一系列复杂特性。而“高早强”同“低水化热”从化学反应上来讲简直就是互相矛盾,常规的高早强水泥势必会引发高水热化,加剧化学反应,进而导致后期产生裂缝,而中国建材总院针对硅酸盐水泥熟料中不同矿物具有不同性能的特点,通过对核电水泥熟料CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3多元体系的矿相优化匹配和微量组分对熟料形成及性能影响的系统研究,克服了这些矛盾体。总院研发的核电水泥不仅能够适应大体积基础建设的施工要求,还达到了低水热化,在保证强度的同时大幅度减少混凝土裂缝。

  二难,难在生产工艺流程。在特种水泥大家庭中,核电水泥的“个头”明显小于其他兄弟。目前,核电水泥每年的市场需求仅有30万~50万吨。虽然我国正在围绕能源计划积极推进核电建设,但总体工程数量偏少且建设周期长,加之核电水泥生产技术难度较大、用量小,水泥熟料不易长期囤放,使得核电水泥的生产过程并不容易,很多水泥企业并不愿意参与。但核电建设是国家发展的重大工程,总院与嘉华特种水泥、抚顺水泥、鱼峰水泥等生产企业合作,为国家按时保质地输送着性能优异的核电水泥。

  前面说到,核电水泥是“走在钢索上”的水泥,在制备过程中没有强大的技术保障极难生产,为克服这些问题,特种水泥团队进行了一系列工业化制备技术的研究,通过微量组分掺杂技术和熟料煅烧关键工艺参数(分解炉温度控制,风、煤、料的合理匹配,烧成带温度及控制、熟料冷却速度等)的调控,解决了高强中热核电水泥熟料在煅烧过程中液相量少、液相粘度低和烧成温度范围窄等技术难题,实现了高强中热核电水泥在新型干法生产线上的稳定生产。

  在成功克服这两难后,高强中热核电水泥以其安全稳定的优异性能成功应用于阳江核电站、田湾核电站、红沿河核电站等多个核电工程建设中,提升了核电工程混凝土性能,有效降低了混凝土绝热温升,应用效果良好,得到核电工程领域的一致好评。

  “十三五”期间,国务院制定的《能源发展战略行动计划》明确指出要发展绿色低碳战略,把发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向。2019年1~12月全国累计发电量为71422.10亿千瓦时,运行核电机组累计发电量为3481.31亿千瓦时,约占全国累计发电量的4.88%,这个占比数据远低于世界其他有核国家。与燃煤发电相比,核能发电相当于减少燃烧标准煤10687.62万吨,减少排放二氧化碳28001.57万吨,减少排放二氧化硫90.84万吨,减少排放氮氧化物79.09万吨,是当之无愧的清洁能源。中国是世界上最大的能源消费国之一,发展稳定、可持续的绿色清洁能源刻不容缓。

  然而,继切尔诺贝利特别是福岛核电站事故之后,世界上“谈核色变”的不占少数。2011年,日本福岛核电站事故影响了全球核电发展的步伐:德日两国减少了180太瓦时的核能发电量,促使一些国家纷纷重新审视和调整了各自的核电政策,形成了多年世界核电低潮。

  但与核电事业相关的科研人员并没有停止探索未知的脚步,各国也都在大力推动核电技术,寻找更安全、更科学的发展方法,中国也是如此。2020年9月4日,“华龙一号”全球首堆开始装料。“华龙一号”是我国在30余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验的基础上,根据福岛核事故经验反馈以及我国和全球最新安全要求,研发的先进百万千瓦级压水堆核电技术。至此,我国的核电技术已经领先世界,也首次打破了核电技术出口的空白。

  我国的核电事业正在以“战略必争、确保安全、稳步高效”的方针健康有序发展。高强中热水泥,不仅是工艺难度高的“走在钢索上的水泥”,更是责任重大的、保障核电站建设的关键基础材料。随着中国乃至世界核能工艺的不断探索与进步,相信未来核电水泥也必将在更大的舞台上发光发热。而中国建材总院特种水泥团队也从不因为当下的成绩停步窃喜,他们如是说道:“我们能做的,无非就是继续改进水泥性能,完善生产工艺,探索更多水泥材料可以应用的领域,更好地为国家重大工程保驾护航。”

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