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特种水泥系列报道
特种水泥,是指较通用水泥而言具有某些特殊性能或特种功能,以满足各行业工程建设特殊需求为目的的水泥,被称为水泥“皇冠上的明珠”,它的诞生大大拓展了水泥产品的应用范围和层次,是国内重大工程不可或缺的基础材料。发展特种水泥,也是中国水泥行业推进供给侧结构性改革、实现高质量发展目标、培育行业发展新动能、提升行业科技创新水平的重要体现。
中国建筑材料科学研究总院有限公司是新中国第一个建材科研机构,被誉为“新中国建材科技的摇篮和发源地”。建院70年来,中国建材总院的水泥科学研究院一直致力于特种水泥的研究、开发、标准制定和推广应用,从解放初期的仿造阶段,逐步实现自主开发研究和研究创新,至今已推动我国在特种水泥的理论研究、品种数量及应用水平上步入世界先进行列。
小料开辟“特种水泥系列报道”专题,为您讲述我国特种水泥,栉风沐雨、薪火相传的创新研发之路。
核电水泥:走在钢索上的材料
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,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新基建展开的能源计划徐徐展开。面对西方世界的技术封锁,中国核电从无到有,突破了核能科技的桎梏,逐步形成了一套属于自己的体系。在这之中,也有建材科研人员不可磨灭的功绩,作为新中国第一个建材科研机构,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,中国建材总院也在核电站建设领域默默发力。
承担核电安全的“绝对责任”
反应堆安全壳,又称安全厂房、安全掩体等,它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。
新中国首座核电站——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,通过不断的查阅论证和试验,在有限的信息中,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、无裂缝的特性。水泥作为安全壳的重要建筑材料,也必须拥有更加强大、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,这也是对水泥行业全新的挑战。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。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。
特种水泥标准
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——GBT 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。
核电水泥的“两难”
近年来,中国建材总院特种水泥团队征战了多个国家重点工程领域,可谓战功硕硕。为了更好地服务国家建设,这只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、驻厂监造等多种形式为国家重点工程护航,核电水泥就是其中一种。但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。
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。虽然我国围绕能源计划积极推进核电建设,但核电水泥的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,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。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。
前面提到,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。
田湾核电工程
核电发展 未来无限
“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、绿色清洁能源势不容缓。
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,一些国家纷纷重新审视和调整了各自的核电政策,形成了20年的世界核电低潮。但世界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,也首次打破了核电出口技术的空白。
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。”