电气贯穿件的自主创新“三步走”

中国核动力研究设计院  高炳焱

    一个年产500万吨钢的钢铁厂，利用有机朗肯循环余热发电技术，能为钢厂额外带来多大经济效益？
    “今年，我们电气贯穿件再创佳绩，新签供货合同2个亿。”在中国核动力研究设计院二所八室2023年年终总结会上，电气贯穿件研发团队负责人陈青宣布了这一好消息，现场响起一阵热烈的掌声。
    一个小小的电气贯穿件，何以创造出这么大的产值？它是核反应堆安全稳定运行的重要保障设备。
    “通俗来讲，电气贯穿件就像一个‘时光隧道’，保障各类电力、信号传输的电缆或光缆顺利从反应堆安全壳外‘穿越’到安全壳内。”陈青介绍说，从2003年到2023年，中国核动力研究设计院把自主创新“贯穿”始终，踏出了一条电气贯穿件从国产化到自主化再到型谱化的成功之路。
勇于挑战的第一步——实现国产化

    2008年7月25日，炎炎夏日，一场对核动力院来说至关重要的产品技术鉴定会在成都召开。来自国家环保总局、中核集团、中广核集团、四川大学、西南交通大学等单位的专家对核动力院历时5年自主研发的核电站安全壳关键设备――HG-I型1E级电气贯穿件进行现场产品技术鉴定。
    中国工程院院士叶奇蓁、孙玉发和参与鉴定的专家给予HG-I型1E级电气贯穿件研制高度评价，一致认为：HG-I型1E级电气贯穿件具有完全自主知识产权，产品类型和规格齐全，产品的设计、制造和试验符合国际标准，综合技术性能指标已经达到并部分超过了同类产品的国际先进水平，完全满足国产化百万千瓦级压水堆核电机组的使用要求，并具备了高效、低成本的批量化生产能力。同年12月23日，HG-I型1E级电气贯穿件在辽宁红沿河核电厂一期工程中中标，拿下了迈入核电市场的第一单。
    其实在2002年以前，第一批电气贯穿件研发团队成员见都没见过电气贯穿件长什么样。2002年7月，一次偶然的机会，核动力院得知电气贯穿件作为核电站安全稳定运行重要保障的必备设备，长期以来一直被国外企业所垄断，并且价格昂贵。核潜艇我们都可以从无到有，电气贯穿件我们还不能自己做吗？说干就干，核动力院二所马上组织技术人员开展调研工作，查资料、跑现场，吸收、消化、琢磨、借鉴、改进、创新……从抽象到具体，从结构到细节，从选材到工艺，电气贯穿件研制思路逐渐清晰、成形。
    经过大量的资料比对与分析后，研发团队认为，国产化电气贯穿件要实现高起点上的创新，需要解决PEEK材料作为绝缘和密封材料在所有类别导体组件上成型这一技术难题，才能引领技术发展趋势，做成自己的品牌。既然要自己做，肯定不能只是走别人的老路，必须要有自己拿得出手的东西。研发团队通过调查分析，提出了三种方案去解决这一技术难题。经过无数次试验、鉴定、比对，前两种方案均无法控制工艺不稳定、成品率低的问题，很难实现量产，经济性也差，不得不中止。第三种方案是最后的希望了，但是核动力院当时却没有所需的实验设备。研发团队带着问题到处寻找合适的设备，终于在一家工厂发现了各方面工艺要求较为适合的成型机。连续两个多月时间里，团队成员往返奔波，抓紧厂家机器空闲的间隙，反复比对各种参数配比，终于成功地研制出6根大线径的PEEK材料包敷导体成品。
    闯过一关，新难题又摆在了大家面前。研制出导体成品后，还必须与导体保护套管一并进行组装、成型，形成一个致密结构，构成导体组件。这是导体组件创新攻关的关键所在，也是影响贯穿件功能实现的关键所在。法国人解决导体组件组装成型的工艺叫做“旋锻法”，他们宣称全世界能做这种导体组件工艺的机器只有两台。“旋锻法”真有这么神秘？本着探索、求知的精神，研发团队决定揭开这层“神秘面纱”。经过反复分析、试验，团队摸索出了这种“旋锻法”，但却发现这种工艺制成的样品并不是一种最为理想的工艺。随后，研发团队找到了新的工艺改进方向，用新工艺研制的导体组件介电强度、绝缘电阻和密封性能均达到指标要求，不但表面质量好，而且废品率低，生产效率高，更适合批量化生产。与此同时，研发团队一鼓作气，在刚性同轴导体成型工艺、中压导体热缩成型工艺、中压陶瓷绝缘套管封接工艺等关键技术工艺的攻关上也连战连捷。2007年底，以6大自主创新技术为支撑的国产化核电电气贯穿件样机研制完成，产品覆盖了二代加核电机组用电气贯穿件的全系列，实现了产品系列化，并相继进入鉴定试验阶段。试验结果表明：该样机满足二代加核电机组的技术要求，综合性能指标已经达到并部分超过了同类产品的国际先进水平。“当时法国专家还来跟我们做过技术交流，交流完，对我们自主研发的电气贯穿件竖起了大拇指，说‘我们再也没有更多更好的建议可供参考了’。”第一批研发团队成员回忆道，HG-I型1E级电气贯穿件的成功研制，不仅打破了国外垄断，实现了国产化，为核电自主化发展提供了重要硬件支撑，同时，它也再一次全面展示了核动力院在核电技术领域的自主创新能力，是我国高新技术领域又一自主创新重大技术成果。
创新优化的第二步——实现自主化

    已国产化的电气贯穿件适用于二代加核电机组，无法满足华龙一号双层安全壳结构的接口条件以及更严酷事故环境条件下的安全运行要求，因此，适时开展华龙一号电气贯穿件产品的研制工作对保住核动力院电气贯穿件产品技术优势以及扩大产品市场占有率均具有重大的现实意义。在国产化的基础上，核动力院在电气贯穿件自主化研制上更具信心，也更加从容——找准难点，一击制胜。光纤电气贯穿件便是华龙一号电气贯穿件研制的关键技术及难点。“作为一种新型电气贯穿件类型，光纤电气贯穿件在国内外的研究中都还是空白。”陈青说。光纤电气贯穿件依据光纤通讯原理，采用自密封技术实现光纤导体组件的结构设计及制造工艺定型。“我们都不是学光纤这个专业的，所有专业知识都要靠自学，感觉又重新当了一回学生。”陈青笑着说，研发团队用最短的时间消化了光纤通信、光纤光缆、光纤传感原理等领域的专业知识，并结合核动力院已有成型设备，制定了一套研制方案。在原理摸索过程中，总是发生光纤脆断，原因分析也比较困难。“为了查找脆断的部位和原因，我们跑遍了成都的各类光纤器件生产厂家进行测试分析，最终找到了原因。”陈青说，经过这个阶段，研发团队积累了宝贵的光纤光缆相关的专业技术经验。
    2015年，以光纤电气贯穿件为代表的全类型华龙一号电气贯穿件研制成功，并于2016年正式签订供货合同。自此，电气贯穿件真正实现了自主化，并成功助力中国核电“走出去”。
跨越发展的第三步——实现型谱化

    2023年12月6日，我国具有完全自主知识产权国家科技重大专项——高温气冷堆核电站示范工程成功投入商运。“新的60MWe高温气冷堆机组一回路电气贯穿件即将由我们供货，采用的是团队全新研发的玻璃-金属封接技术。” 电气贯穿件研发团队核心成员邱新媛介绍说，一回路电气贯穿件是安装在高温气冷堆一回路压力边界上，为壳体内部主氦风机、吸收球及控制棒驱动机构提供电力传输的专用关键设备。“可以这么理解，以前的安全壳电气贯穿件是从反应堆安全壳外贯穿到安全壳内，而一回路电气贯穿件本身就在安全壳内，它的运行环境会更加严酷、整机承压及密封性要求高。”邱新媛解释说，一回路电气贯穿件能承受7MPa、150℃的高温高压环境条件，在保证压力边界的完整性和密封性同时，具备可靠的电气传输及安全性。什么是玻璃-金属封接技术？“简单来说，就是让玻璃和金属完美结合成一个整体。”邱新媛说，专业解释就是在高温下，处于熔融状态的玻璃与金属表面氧化层相互渗透，产生稳定连接的化学键，冷却至室温后会形成具有一定机械强度且密封性强的稳定界面，使得玻璃与金属成为一个整体。看似简单，实施起来却很难。目前成熟的核电产品均采用的是高性能有机材料来实现密封，无机材料密封技术，是全新的技术。而无机材料密封难点就在于如何实现异种材料的匹配封接，为此，研发团队进行了数十次工艺摸索，才找到合适的材料膨胀系数范围。“这是一个颠覆式的技术路线。”邱新媛说，玻璃-金属封接技术不仅可以用在核能领域，后续还有望推广到石化领域。“2024年，我们团队将会重点瞄准液化天然气市场，争取实现在核行业外的应用突破。”
    目前，核动力院电气贯穿件已经可以实现二代加、三代、四代核电机组、核燃料生产及后处理等多领域的供货。“我们初步实现了型谱化发展，接下来还要做好全产业链的自主可控和全生命周期服务。”邱新媛说。船到中流浪更急，人到半山路更陡。电气贯穿件的自主创新是核动力院助力高水平科技自立自强的生动实践，更是一代又一代核动力人勇攀高峰的真实写照。面向未来，核动力院仍将不断探索科技创新支撑高质量发展的新路径，积极为中国式现代化贡献更多“核动力”力量。