上海科技奖励获奖成果科普化
特别报道
模块化建造技术可以缩短核电站的建设周期，进一步提升核电项目建设的安全和质量水平以及建造经济性，推动我国核电建造安装技术整体实力持续进步。
点击下方视频，听核工程专家讲述如何用“积木”搭出核电站。
文/褚濛
国家电力投资集团上海核工程研究设计院股份有限公司高级工程师
01
模块化建造技术与核电站
很多人小时候可能都玩过乐高积木游戏。在游戏中，使用不同形状和大小的积木，通过组合和搭建，就可以创造出各种结构，如飞机、汽车、房屋和桥梁等。
建筑师从积木游戏中获得启发，发明了模块化建造技术。这是一种先进的建筑方法，它将建筑物拆分为独立模块，在工厂内预制完成后，再运到施工现场进行组装。
在施工现场，预制模块被吊装到指定位置，像搭积木一样通过连接部件进行组装。模块化建造技术可以实现各个模块的独立施工，减少交叉作业，显著地提高建筑效率。
自模块化建造技术诞生以来，它已经广泛应用于各种类型的建筑中，包括住宅、办公楼、商业中心、工厂等。在一些特殊的建筑项目中，如高层建筑、桥梁、隧道等，模块化建造技术更是具有独特的优势。
核电作为清洁能源，是保证我国能源安全、实现“双碳”战略的重要组成部分。我国正在建设的核电机组约有40多台，从在建数量和建设规模来看，我国已经走在了世界的前列。
但是，在如火如荼的核电站建设热潮中，遇到了若干亟须解决的问题。首先是建设周期问题。以往的核电站最长建设周期超过10年，其中土建施工周期约占70%,漫长的建设周期严重制约了核电行业发展。其次是安全问题。美国“9·11”事件之后，相关法规要求核电站不仅要抗强震，还要能防御大型商用飞机撞击。最后是安装精度问题。核电站的建造必须保证核级设备支撑处的安装精度。
为了解决核电站建设周期长的难题，模块化建造技术进入了核电站建设单位的视野。要将模块化建造技术应用于施工难度极大、安全性要求极高的核电站，首要的难题就是提高模块化加工的精度。其次，在大型先进压水堆核电站“国和一号”CAP1400的建设中，巨型模块的起吊质量一般为1 000吨左右，远远超过了普通民用建筑领域构件的起重量。这两个因素制约了传统的核电站建设应用先进的模块化建造技术。
02
把核电站变成“大积木”
针对全球首批三代非能动核电站项目模块化建造的难题，上海核工程研究设计院股份有限公司总经理王明弹带领多家单位组成的项目组，开展了“先进非能动压水堆核电站模块化建造关键技术及应用”的项目攻关。项目组经过10余年的刻苦攻关，取得了3项主要创新成果。
第一，提出了核电站大型钢板-混凝土组合结构模块核心设计方法，形成了国家标准。该模块结构是把双层钢板以及内部的型钢等焊接成一种龙骨加双层面板的新型结构。这些新型结构单元通过焊接的方式拼装成21米×14米×21米的千吨级大结构模块，类似一个巨大的积木。整个结构吊装就位后，再在里面的双层钢板之间浇筑混凝土。双层钢板既替代了钢筋作为传力部件，同时也可作为混凝土的模板，节省了支模和拆模的工序。这样的结构形式不仅能够缩短施工工期，节省现场的劳动力，提高吊装精度，它的承载力也比普通的钢筋混凝土有很大的提高。此外，这种钢板-混凝土组合结构的抗震能力约为钢筋混凝土的3倍，应用了该结构的屏蔽厂房具备了更好地抗大型飞机撞击的能力。
第二，创立了先进核电站大型钢板-混凝土结构模块工业化建造技术体系，首次在核电行业实现大型模块化施工。核电站模块结构巨大且内部结构复杂，有5~6层、21米高，质量为1 000吨左右。项目组开发了千吨级模块结构的高精度制造、拼装和大吨位吊装技术，大型模块拼装和吊装后，可以实现设备支撑处的高精度安装。
第三，突破了模块狭窄空间内核电主设备安装技术瓶颈。由于采用了大型结构模块技术，核电主设备的安装方式由原来的从上到下变成了从下往上顶升。为此，项目组开发了一系列主设备安装关键技术，包括反应堆压力容器支撑模块高精度加工技术及装备、无过渡段主管道窄间隙自动焊接变形控制技术等，保证了模块化安装过程中主设备的安装精度，为未来核电站系统的运行和整个核电站系统安全奠定了良好的基础。
03
“宜模则模”，
推动核电站建造方式转变
从核电站的建设来看，土建施工往往是制约整个建设周期的一个关键因素。传统的核电站建设工序是顺序式的一层层建设的方法，应用了大型结构模块之后，相当于把整个厂房做成了积木式结构，可一次性整体吊装就位。同时，模块化建造可以将建设工序和工厂预制、现场拼装工序并行起来，大大缩短核电站建设工期，使核电站发电时间提前。
“先进非能动压水堆核电站模块化建造关键技术及应用”项目成果已应用于山东荣成“国和一号”示范工程、浙江三门核电站、山东海阳核电站一期工程等多项大国重器中，有效提升了建造质量，节省了施工工期。
在“宜模则模”的理念指引下，模块化建造技术将广泛地应用于后续的核电站建设之中，积极牵动国内核电行业从传统的土建安装方式，逐渐向模块化的高端建造方式转变，在确保核安全的同时，提升核电行业建造经济性，推动我国由核电大国向核电强国迈进。
本文相关成果“先进非能动压水堆核电站模块化建造关键技术及应用”荣获2022年度上海市科技进步奖二等奖。
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《科学画报》2024年第3期