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自主三代核电国和一号诞生记:2.6万名技术人员的攻关长跑

admin 时间:2020-10-01
自主三代核电国和一号诞生记:2.6万名技术人员的攻关长跑

原标题:自主三代核电国和一号诞生记:2.6万名技术人员的攻关长跑

9月28日,国家电力投资集团有限公司(下称“国家电投”)在上海正式发布我国三代核电自主化标志性成果“国和一号”,并全面回应“国和一号”核电型号的安全设计理念、市场竞争力、国产化程度、出口前景及三代核电自主化历程。

国家电投集团核能安全与发展部(核电重大专项办公室)主任郝宏生在发布会上对澎湃新闻()等媒体表示,“国和一号”是拥有完全自主知识产权的核电创新技术,目前设备整体国产化率达到90%以上,在独立出口时不会受制于人。

核电站属于安全标准极高、系统复杂且精密的超级工程,自主型号研制不可能是轻易的一路坦途。据统计,2008年至今,国家电投联合国内477家单位、26000余名技术人员开展了历时12年的科研攻关,成功研发了“国和一号”。2016年2月,该型号通过我国史上范围最广、内容最深的联合安全审评;2016年4月,通过国际原子能机构通用安全审评。目前,“国和一号”示范工程施工设计已完成99.2%,工程总体进展顺利。

国和一号示范工程效果图

回顾10多年前,参照三代核电的设计规格书,国内没有一家装备企业能完整有效地制造出三代核电设备。通过引进三代核电自主化依托项目、“国和一号”重大专项及其他三代核电项目的拉动,国内培育出全产业链的三代核电设备供应能力,中国核电装备实现了从二代到三代的重大跨越。

一个国家的核电实力强不强,首先要看有没有自主设计能力。若不具备自主设计能力,只能是盘桓在中低端水平的翻版或触及侵权红线。据澎湃新闻记者了解,“国和一号”的诞生可谓经历“千锤百炼”,这背后,是中方设计团队对设计方案的全局性创新。

国家电投核能总工程师、重大专项总设计师、“国和一号”总设计师郑明光表示,“国和一号”的研发是一个系统性工程,它的意义不止于某个工程、某个项目,而是通过技术型号牵引,带动了国内核电自主设计能力、设备制造能力、试验验证能力的持续发展。

该型号的设备国产化率还有继续上升的空间。郑明光表示,除了已经攻克关键设备、关键材料的国产化外,国家电投近年来正在针对核电站内非核心、可国际采购的通用小型设备和材料进行国产化,向100%国产化率进发。

由于关键设备国产化、大功率和简化系统、模块化建造等特点,“国和一号”的经济性突出。国家核电(上海核工院)党委书记、董事长卢洪早当天在发布会上表示,“国和一号”在批量化后工程造价还能再降低20%左右,具有国际竞争力。

中国具有自主知识产权、可独立出口的两种核电机型“国和一号”和“华龙一号”,是未来中国核电产业参与国际竞争的两大主力,同时肩负着中国核电技术出海、带动中国核电技术装备“走出去”的使命。

“国和一号”:不止是“大”,抵抗严重事故安全能力提高100倍

数据显示,“国和一号”的单机组输出功率150万千瓦,年可用率不小于93%,年发电量114亿千瓦时。根据国家能源局预测数据,2020年全国年人均用电量预计将达5000千瓦时,按此计算,“国和一号”单台机组年发电量可满足2280万居民的用电需求。

该机型设计思路的核心是做“减法”:简化设备结构,采用非能动安全系统,紧急情况下不依赖外部电源,仅仅依靠重力、热循环和冷凝等自然手段作为动力排出余热。相比传统电厂,“国和一号”的安全级阀门、管道、电缆、泵、控制装置、抗震厂房总量分别约减少50%、80%、85%、35%、70%和45%。系统简化、设备部件减少,更便于核电站运行和维护。

但上述“减法”的真正目的,是为了在安全性上做“加法”。

基于非能动安全系统,在电厂断电状况下,“国和一号”事故后操纵员可不干预时间从“二代加”核电技术的30分钟提高到72小时,同时增加电站抗击地震、外部水淹等极端自然灾害的能力,使反应堆堆芯损害频率比目前主流的在运二代核电机组大约低100倍。

这100倍的关系,意味着大规模释放放射性物质的概率在工程学上可忽略不计。

发布会现场

话说从头,“国和一号”的开发属于“高起点再创新”,它基于引进消化吸收三代非能动压水堆核电技术,基于中国50年的核电厂研发、设计和工程经验,也基于中国核电机组近30年的安全建设和运行经验。

中国核电市场一度被称作“万国牌”。从上世纪80年代开始,中国先后引进了法国、加拿大、俄罗斯核电技术。多头引进、多种核电堆型和技术标准并存,所需的工业支撑体系不一致,这给核电技术的标准化、系列化和国产化造成了很大困难。

2006年,中国决定实施三代核电自主化战略,美国西屋公司AP1000技术在与法国阿海珐公司EPR技术的角逐中胜出,成为中国三代核电的引进对象。上海核工院成为“引进消化吸收再创新”的技术主体。

确定路线后,浙江三门核电站和山东海阳核电站共4台机组被确定为中国三代核电自主化依托项目,2009年开始相继开工,历经十年建设,在2018年9月至2019年1月间陆续投运。自主化依托项目是中方消化吸收引进技术、继而再创新出“国和一号”的重要基础。2008年2月,国务院常务会议审查通过了《大型先进压水堆核电站重大专项总体实施方案》。自诞生之初,“国和一号”的定位便是安全标准进一步提高,自主开发、功率更大的非能动压水堆核电堆型。

海阳一期工程

中美核能合作协议界定,净功率超过135万千瓦才能拥有三代非能动核电自主知识产权。为此,在2007-2008年间,上海核工院以压水堆重大专项总设计师郑明光为代表的技术团队,对“国和一号”顶层设计方案进行了全局性的创新,包括增加钢制安全壳的厚度和直径以扩大核岛空间,重新设计研制蒸汽发生器,大幅度优化主泵流量、主管道流通截面等,实现型号总体性能和效率的全面提升。

郑明光在此前接受澎湃新闻()专访时,曾忆及这其中的若干细节。比如,原本39.3米至39.6米的安全壳直径被扩大到43米。“扩大以后,就开辟了另外一片天地,可以对整个设备进行重新的谋划。”郑明光表示,“即把蒸汽发生器扩大了将近25%的流通面积,换热面积增加了27%至29%。换热面积增加,主管道的流通面积增加了将近30%。”把主管道扩大,增加蒸汽发生器的流通面积,使整个回路的流通特性或者传输的优化得到更好的体现。

此外,上海核工院与上海电气凯士比公司通过协调和研究发现,主泵流量还可以再增加。“在这种情况下,‘国和一号’作为一种型号来说,无论是一回路平均温度、流量,二回路的整个蒸汽压力,特别是整个机组的效率也得到了比较好的提高。从而突破135万千瓦净功率。”

郑明光表示,这实际上是一个根本性的创新,是仅仅依靠改变AP1000的基础(比如说降低安全裕量、挖潜力等途径)无法达到的。此外,“反应堆堆芯也从AP1000的157盒燃料组件变成了193盒燃料组件,这是完全重新设计,堆芯内的流场分布、流量分配、流致振动都要经过重新试验。”

此后,“国和一号”经历了来自国家核安全局组织的近300位专家开展的史上范围最广、难度最深的安全评审,历时17个月,研发设计人员回答了国家核安全局提出的5377个问题。

为三代核电换上“中国心”

在顶层设计革新的基础上,新的核电型号离不开新设备的支撑。三代核电更高的安全标准要求、技术标准要求、技术参数要求对国内设备厂商的软硬件能力提出了新的挑战。但在十多年前,国产化设备的制造能力还未达到能制造如此大功率设备的水平。

“2007年的时候,当我们把三代核电的设计规格书请制造企业生产设备,都摇头说做不了。”郑明光在9月28日会后对澎湃新闻()回忆道。彼时,关键的核级材料也都依赖进口。核岛关键设备价格往往高达几千万到数亿元不等,重达几百吨接近上千吨,对设计制造能力及制造商对于设计图纸的理解能力的要求都非常高。

于是,一场设计方与设备方形成创新联合体进行技术攻关的长跑随之启动。

反应堆冷却剂泵,简称“主泵”,承担着为核岛运转提供动力的重任,好比是核电站的“心脏”。AP1000采用了屏蔽式主泵,具有60年无维修的设计寿命。不过,全新的制造工艺和运行流程,对制造业来说无疑是一项巨大挑战。

为了让“国和一号”拥有一颗“中国心”,示范项目研发一开始,主泵研发方案就采用双线并行的模式,一边推进屏蔽电机主泵研发,另一边与上海电气凯士比核电泵阀有限公司启动了湿绕组主泵备选技术方案。经过八年时间,完成世界最大功率核电无轴封主泵研制——“国和一号”湿绕组主泵这颗“中国心”研发成功。

功能类似于高压锅密封圈的反应堆压力容器O型密封环,曾几何时是国外采购经常被禁运的设备。“密封”是核电运行和事故状态下防止泄漏的第一关,这种零部件对庞大的核电站来说看似微小,但曾是真正的“卡脖子”环节,O型密封环更是整个核电密封系统中最复杂、最重要的密封,从国外购买的价格高达几百万。为此,上海核工院和和宁波天生密封件有限公司联合成立了核电密封联合研究中心,经过多年研制打破了国外垄断,国产化后产品价格约为三四十万元。

从核电“大动脉”到“中国心”,从核电站“大脑”“神经系统”到遍布核岛各处的“血管”“神经”,都经历了类似的国产化攻关过程。

钢制安全壳顶封头

在整个“国和一号”研发过程中,主泵、爆破阀、压力容器、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒驱动机构、大锻件、核级焊材、690U型管等核电关键设备、关键材料全部实现自主化设计和国产化制造。为了降低设备研制风险并培育良性的竞争氛围,“国和一号”在开展设备研制及国产化过程中,对蒸汽发生器、压力容器、主泵、主管道等关键设备均安排2-3家厂家进行培育。

锆管

郑明光称,在整个型号开发过程中,技术团队对设备和材料进行了全方位梳理和国产化策划,先攻克“最贵”“最难”的。至于其余10%未国产化的设备,是可以国际采购的通用设备,属于市场价格合理、竞争充分、不存在少数几家企业垄断的物项,不会影响“国和一号”的落地和出口。不过,从2017年开始,国家电投开始持续推进这部分材料和设备的彻底国产化,以杜绝“因1%卡死99%”。

设备自主化设计和制造不仅使得核电站经济性提高,也提供了更可靠的资源保障。在“国和一号”等三代核电技术的带动下,国内各大制造企业完成了从不会到会、装备制造能力从二代核电到三代核电的跃升,这同时支撑了如先进小堆等其他核电型号的开发。目前,国内装备制造业已具备年产6至8台套先进核电机组的装备能力。

一位国内一线装备制造企业高管曾对澎湃新闻介绍,在这个过程中,中国企业的装备能力在一些机械加工设备和重要工具工装世界顶尖。中国装备制造业的软实力也得以提升,项目与技术管理也得以优化,人员队伍的能力素养得到了进一步历练。

据卢洪早介绍,截至2020年8月,压水堆重大专项累计形成知识产权成果6513项,获得国家授权专利1052项,形成新产品、新材料、新工艺、新装置、新软件392项。2016年,“国和一号”通过中国专利保护学会专家评审,认为“具有自主知识产权和出口权”,为我国三代先进核电的规模化、批量化发展与“走出去”提供了有力保障。

市场竞争力的核心:经济性

在保证高安全性的前提下,核电作为电力商品的属性日益凸显,作为“电”的经济性,是决定核电在全球电力市场中竞争性的重要指标。

澎湃新闻()了解到,采用模块化建设、批量化建造后,“国和一号”的核电项目建造周期可至56个月。基于经验反馈进一步优化模块化建造技术后,建造周期有望减少至48个月,这大大少于目前国际主流核电机组工期。对于资金密集型核电产业而言,工期缩短的重要意义不言而喻。

有别于国内其他三代核电机组,“国和一号”的建造过程类似于搭建巨型的“乐高积木”,而非传统的“串联式”施工模式(先土建后安装再调试)。这一过程好比先将小的“积木”,在工厂或拼装场地预先组装成一块巨型“乐高”,再通过吊运,安装这一块块“巨型积木”来完成核岛大部分的搭建工作。

在“国和一号”单台机组中,超过100吨的设备或模块有三十余件左右,超过500吨的有十余件左右,这样的“巨型乐高积木”从规模到数量是传统核电机组以及国内其他三代核电所不具有的。

中国两大自主核电品牌“国和一号”和“华龙一号”,是中国核电产业出口的两条路线。

国家电投国家核电(上海核工院)总工程师严锦泉在发布会上称,从共同点上看,两者都是自主开发的压水堆技术,共享压水堆重大专项的科研成果,包括自主设计体系、验证体系、装备供应链体系等,将共同塑造核电“走出去”蓝图。差异点上,“国和一号”功率更大,且两者在安全系统的具体选择上不同。

“国家电投的国际化版图中,核能不能缺席,拥有自主知识产权的‘国和一号’更不能缺席。”国家电投集团核能安全与发展部(核电重大专项办公室)主任郝宏生对澎湃新闻表示,目前的首要任务是有序推进“国和一号”示范工程的建设。与此同时,该公司正在与土耳其、南非等国家深入接洽。

“‘国和一号’实现了自主设计、自主制造、自主建设和自主运维,我们有充足信心实现‘国和一号’‘走出去’。” 郝宏生说道。在国内后续厂址上,他表示,希望国家能够适时部署开展“国和一号”及国产化AP1000技术——CAP1000——的批量化建设。

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