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南方能源观察:等待FCD!| CAP1400是怎样炼成的

发稿时间:2018年09月14日 通讯员: 来源:南方能源观察 字体:【

       2007年,经过多轮谈判后,中美正式签订三代核电AP1000技术转让和相关设备采购合同。2008年2月,国务院常务会议原则通过了《大型先进压水堆核电站重大专项总体实施方案》,为16项国家重大科技专项之一。

  重大专项的总体目标是:在AP1000技术引进和自主化依托项目建设的基础上,通过国产化AP1000自主设计,实现AP1000技术的消化、吸取,全面掌握以非能动安全为标志的第三代核电技术,并在此基础上,进一步研究开发具有我国自主常识产权的大型先进压水堆核电站技术,建成CAP1400示范工程,拥有一批高水平的常识产权成果,使我国核电设计、制造、建造和运行技术实现跨越式发展。

  然而,核电压水堆重大专项的发展却是曲折的过程。

  由于技术的代际升级,主设备研发困难巨大,自主化依托项目建设工期多次延误,由此一系列针对AP1000技术安全性的舆论质疑甚嚣尘上,甚至首堆首次装料通过安全检查后却未如预期得到核准,工期再度耽误8个月。在2011年福岛核事故之后,内陆省份三个已开工的核电项目被暂停,而沿海的徐大堡一期、陆丰一期项目也未获开工核准,国产化AP1000自主设计CAP1000未能投入工程应用。国产化AP1000核电机组的批量化建设被搁置。

  拥有自主常识产权的CAP1400在通过设计等评审后,示范工程于2014年底已具备开工条件,目前静待核准。

  2018年6月30日,AP1000首堆三门核电1号机组首次并网一次成功,8月14日,机组首次达到100%满功率运行。

  现实的数字击碎了此前舆论对技术的一些质疑。但只有深入了解整个核电压水堆重大专项这十余年的研发过程,大家才能真正明白技术的引进、消化、吸取再创新究竟是怎么一回事,才能作更客观的评价。

  从1到N:CAP1400是怎样炼成的

  ——我需要一个例子,证明中国已经具备大型核电自主设计制造的能力。

  ——CAP1400就是最好的例子,它是自主开发、自主设计、自主制造的。

  2018年8月14日,AP1000全球首堆、三门核电一号机组首次达到满功率运行。在过去的十余年里,AP1000首堆是核电行业关注的重点,在其成功并网后,CAP1400示范工程成为新的焦点。

  2007年,经过多轮谈判后,中美正式签订三代核电AP1000技术转让和相关设备采购合同。合同更明确,中国将在引进AP1000核电技术基础上,通过改进、开发和自主创新,完全拥有输出电功率大于135万千瓦的大型先进非能动核电站的自主常识产权——这便是CAP1400。

  2008年2月,国务院常务会议原则通过了《大型先进压水堆核电站重大专项总体实施方案》,核电重大专项为16项国家重大科技专项之一。核电重大专项分两个部分,一个是高温堆分项,另一个是压水堆分项,以研发设计和建设CAP1400示范工程为主要成果。

  2013年3月4日,国家发改委批复同意CAP1400示范工程开展前期工作。2014年1月9日,CAP1400初步设计顺利通过国家能源局组织的评审,标志着CAP1400的总体技术方案、技术指标和主要参数固化并得到国家认可。

  多家媒体报道,2014年底,位于山东荣成的CAP1400示范工程便已具备开工条件,即浇筑第一罐混凝土(FCD)。

  对行业而言,因其示范工程至今未开工,CAP1400看似是陌生的,但同时,在重大专项推进的这十年中,CAP1400早已渗入行业发展脉络中,其设计、研发、制造等理念创新和实验实践,牵动着行业发展。

  自主常识产权的门槛

  “现在的CAP1400,是被倒逼出来的。”CAP1400总设计师、上海核工程研究设计院院长郑明光告诉eo记者,国家核电技术企业是重大专项的实施主体,而上海核工程研究设计院,即728院,是技术总负责单位。

  2007年底,国家发改委组织专家评审,将毛功率1350MWe确定为CAP1400的基本参数,在此条件下,CAP1400的安全壳主直径、主泵、蒸汽发生器等关键设备与AP1000设计区别并不大,设计上主要是修改反应堆功率。

  放低自我要求,源于当时中国核电设备制造水平现状:2007年之前,中国没有一家企业能制造出三代核电设备。尽管彼时国内企业能制造二代核电设备,但很多材料需要进口,更别提三代核电设备对材料使用寿命、放射性活化等的要求更高。按照当时的制造水平,主泵造不出来,甚至蒸汽发生器都成问题,能力直接“锁死”目标。

  只是,自主常识产权并未如设想中那么轻易就能拥有。第一个不答应的便是西屋企业。

  2009年10月,在跟西屋企业的会谈中,西屋企业表示当初约定的1350MWe为净功率(即上网功率),而非毛功率。这意味着CAP1400的毛功率必须达到1500MWe,才能拥有自主常识产权。要达到这个目标,CAP1400就不再只是AP1000的小改动。

  CAP1400的型号设计需要从头来过。

  明确需求后,728院设计队伍需要先完成方案设计,即确认从反应堆内燃料组件到压力容器再到二回路、蒸汽发生器等应采用怎样的方案。确定方案设计后需进行概念设计,即确定整个核电站主要的系统配置,梳理所需关键技术。

  通过方案设计和概念设计,CAP1400的型号设计最终确定。其反应堆功率从原先设定的3730MWt提升到4040MWt。主关键设备的目标都变了:主管道横截面增加30%、蒸汽发生器流通面积增加25%、换热面积增加27%、核功率增加18.8%、安全壳直径增加到43米。

  参数来源基于理论、经验、计算和App工具,针对其中缺乏试验支撑的创新,则需要在型号设计后做相应试验进行论证。

  以蒸汽发生器为例,AP1000设计为10025根管子,CAP1400则为12606根。“凭什么是12606根管子?”郑明光告诉eo记者,“所有的数据必须根据整个工况、效能、机组的功率,重新计算、重新分析、重新确定。”

  打造有竞争力的产业链

  CAP1400新型号设计出来后,紧跟着同样重要的问题是:如何造出来?10025到12606,新增2000多根管子,相当于蒸汽发生器主管道面积增加了27%,所有布置都得重新安排。

  更重要的是,蒸汽发生器、压力容器等对大型锻件制造能力的要求非常高。业内人士先容,上世纪末,世界上拥有大型锻件制造能力的只有日本和法国,当时国内制造企业的合格率非常低。而锻件只要一点不符合核安全法规要求,就成废品,除了自身成本问题,还影响工程建设周期。

  不过,此时距离2007年已过去4年。在这4年间,随着AP1000引进消化吸取,国内制造厂商的制造能力已有不小的进步,这为CAP1400关键主设备的设计带来底气,也为国产化制造打下重要基础。

  2014年1月,“CAP1400蒸汽发生器研制”课题正式立项,此后3年,上海核工院与众联合单位开展了CAP1400蒸汽发生器群孔高效成型及检测技术、关键焊接技术、制造缺陷诊断及评价技术等7大方面的研究。

  在重大专项压水堆分项实施过程中,设计院所承担的角色除了设计,还有设计牵引作用。“设计能力增强,制造能力跟大家迭代,共同进步。”

  核电重大专项压水堆分项的实施方案通过国务院批准后,每年由重大专项管理方进行立项,确定需要开展的科研课题,由专家进行评审,主管部门、财政部门再进行平衡,最终确定哪些课题值得投入经费。

  重大专项压水堆分项实施过程亦进行全面有效的规划,其有意建立具有一定良性竞争态势的核电产业链体系,关键主设备、部件攻关在选择制造商时,均会选择多家,以形成良性竞争。以锻件为例,一重、二重、上重等都参与制造,而参与蒸汽发生器制造的装备企业,则包括上海电气、东方电气、哈尔滨电气等国内主要核电装备制造商。

  “产业格局竞争体系的建立,能有效提高经济性。有了竞争体系以后,人人都在追求技术发展,人人都要保证工期、保证质量,人人都要合理的价格。大家也希翼制造业能够盈利,但是大家应该公平竞争,都能得到科学、合理的发展。”郑明光先容了课题规划的用心之处。

  过程中,CAP1400蒸汽发生器的主管道实现国产化。“二重造出来,六根主管道,零缺陷,价格是进口的四分之一。”

  2018年8月,由上海核工院,东方电气(广州)重型机器有限企业、上海电气核电设备有限企业、中国第一重型机械股份企业、二重集团(德阳)重型装备股份有限企业、上海重型机器厂有限企业、国核运行等单位联合实施的大型先进压水堆重大专项“CAP1400蒸汽发生器研制”课题顺利通过国家能源局组织的正式验收。

  验收专家组由中国机械工业联合会、环保部核与辐射安全中心、国家核电专家委、清华大学、中国核电工程有限企业、哈电集团(秦皇岛)重型装备有限企业、苏州热工院等单位的17位专家组成。专家组一致认为课题组掌握了CAP1400蒸汽发生器的关键制造及设计技术,完成了任务合同书规定的各项研究内容,达到了任务合同书规定的目标和考核指标,为CAP1400蒸汽发生器的自主化和国产化打下了坚实的基础。

  提升中国核电整体能力

  截至2017年8月,核电重大专项(含压水堆分项和高温气冷堆分项)已立项课题179项,核定中央预算113.99亿元。

  “为什么大家要让每个企业都参与呢?就是为了提升整个国家的制造能力。”郑明光告诉eo记者,“虽然说花了不少钱去做实验,去做设备的研制,但获益的是整个国家的工业能力,而不仅仅是CAP1400本身。”

  eo记者了解到,这些制造厂商通过参与核电重大专项,可以将其能力、设备运用在其他项目中,并不仅为CAP1400项目服务。

  这些参与重大专项的制造厂商,同时也服务于其他能源企业。

  此前,在一次公开采访中,一名非国家电投的核电工程企业高管回忆道:“应该是在2008年之后,国内核电设备制造厂商的能力进步非常快。”这也印证了核电重大专项对制造能力的影响。

  2017年8月31日,科技部和能源局组织召开了核电重大专项资讯发布会。会上,核电重大专项管理实施办公室负责人、国家能源局核电司副司长秦志军先容了项目所取得的具体成果。

  其中,核电装备制造能力和水平大幅提升。压力容器、蒸汽发生器、主管道等一大批重大设备实现了国产化,屏蔽电机主泵、数字仪控系统、爆破阀等核心设备均已完成样机制造,高温堆控制棒驱动机构、燃料装卸料系统等已实现供货。这些成果的取得,显著地推动了装备制造企业上台阶、上水平,使中国具备年产6到8台套三代核电设备供货能力,三代核电综合国产化率从2008年依托项目的30%提高到85%以上。秦志军表示,材料研制实现了基础性突破。超大型锻件、690合金管、压力容器密封件、核级锆材等关键材料加工制造技术取得质的突破;高温堆燃料元件已实现产业化生产;核级焊材研制成功,改变了我国核电焊接材料长期依赖进口的局面;建成了首条从海绵锆到成品管、板、棒、带材的完整生产线,为CAP1400和华龙一号的自主化燃料研发提供了有力支撑。

  在材料、设备的研制之外,对核电产业而言,重大专项另一突破是关键试验的推进。

  核电重大专项支撑设立了六大基础类重大验证课题,用以支撑论证三代非能动核电关键系统运行及重要设备性能的机理研究,包括非能动堆芯冷却系统、非能动安全壳冷却系统、堆芯熔融物堆内滞留、反应堆结构水力模拟、堆内构件流致震动、蒸汽发生器关键部件等13项试验。

  “这里所说的试验,是系统试验。所谓系统,就是很多设备跟零部件构成之后所起的共同作用,系统比设备更复杂。比如非能动堆芯冷却系统,由阀门、管道、水箱等组合起来,大家需要通过试验来验证系统的可靠性,能不能达到预期效果。”一名参与关键试验的科研人员先容。

  与制造厂商参与课题形式类似,关键试验亦是“集大成者”。参与关键试验的单位为国内相关高校、实验室、研究机构,相关课题亦委托给国家电投、中核集团、中广核集团等企业的研究单位。

  “这些试验做下来,我个人觉得大家的能力提升很大,一些局部方面甚至超出了美国西屋企业的水平。”上述科研人员告诉eo记者。

  2018年6月,“CAP1400非能动安全壳冷却系统性能研究及试验”课题顺利通过正式验收,标志着CAP1400六大关键试验课题全面通过验收。

  在方案设计、试验验证之外,国内核电安全审评能力也随着核电重大专项推进而得到提升。安全审评的主要实行部门是国家核安全局,而安全审评要做到独立评审,则要求核安全监管部门全面掌握法规要求。大量试验验证和运行效能的相关试验,完善了核安全局的试验分析能力,使其对系统设计中安全设计理念体现、准偏差项判断等方面都有了提升。

  “国家的核安全审评从原来老型号审查到现在新型号主要审查偏差项,可以说发生了根本性变化。现在核安全局的安全审评能力比原来高多了。”熟悉核安全的专家告诉eo记者。

  创新的集成

  郑明光坦承,如果按照一开始毛功率1350MWe做设计,那一版本的CAP1400经济性比AP1000好点,但安全性参数肯定不如AP1000,而如今版本的安全性更优。

  以安全壳为例,西屋在设计AP1000时裕量为2%,而CAP1400裕量大于10%,这增强了核电抗大飞机撞击的能力。根据国家核安全局要求,CAP1400在纵深防御上提升了抗震能力,进一步增强安全裕量。

  同时,CAP1400还将严重事故融入到型号设计中。国家核安全监管部门领导曾在行业会议上分享了一个故事。巴基斯坦核电从业者曾对大亚湾核电站非常感兴趣,一个原因在于他们觉得恰希玛核电站是中国人设计的,应该不如法国的先进。但在实地考察和阅读相关文件后,巴方发现恰希玛的安全设置更为完善。

  郑明光在接受eo记者采访时也先容了恰希玛的情况:“为什么大家研发CAP1400时能很快把严重事故的概念融入到位呢?主要是因为做了恰希玛。从秦山比较分散的布置到恰希玛比较紧凑的布置,到恰希玛二期就考虑了事故应急,是非常大的变化,是不断追求技术进步的结果。”

  经济性上,CAP1400的电功率提升了将近20万千瓦以上。功率提升,意味着机组发电能力增强。国产化体系的建立也为CAP1400的经济性打下基础。由于技转目标高,CAP1400的锻件焊缝也比AP1000的少,这减少了检查频率和放射性,提高了经济性。未来随着批量化建设所带来成熟度提升,CAP1400项目建设工期、风险、不确定度均会降低,经济性将进一步提升。

  “大家一直在说引进消化吸取创新,其实最好的验证,就是看你能不能拿出一个自己的东西来。CAP1400能做出来,能通过审查、验证,说明真学会了。”一名非国家电投的核电企业技术研究院高管这么理解。

  在郑明光看来, CAP1400跟AP1000既有联系又没有联系。“CAP1400是完全自主创新的型号,尽管理念上吸纳了AP1000的设计,但大家完全是独立自主开发的,所有的验证都是自己验证的,所有的设备开发都是自己研制的,某种程度来讲也是自主创新科技成果综合性的集成。”

  “西屋企业是非能动的原创,是0到1,大家是1到N。从原创性来讲,他们更多,特别AP600是原创。600到1000变化不算很大,1000到1400,变化很大。效率、经济性、国产化程度都提升了。”郑明光先容,“CAP1400未来造价比AP1000低,国产化程度要高。将来走出去的话,各方面不会有太多障碍。”

  2017年6月23日,环境保护部副部长、国家核安全局局长刘华到728院调研引导工作,高度肯定了重大专项实施十年取得的成果。刘华指出,国家核安全局对于CAP1400的审查,是我国核电发展史上范围最广和程度最深的一次,国家核安全局对CAP系列核电技术充满信心,支撑示范工程和后续项目开工建设。

(本文转载自集团企业官网)

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