第三代核電技術及發展

屈偉平

我國第三代核電發展歷史

在CPR1000體系的形成和運用過程中，共經歷了中國核電工業制度變遷的三個階段，如表1。1977年到1986年，是中國對核電行業深入探索的階段。中國政府并沒有因為先前蘇南核電的失敗放棄發展核電的信心，促成了中國與法國的第一次技術和商業合作，我國引入了法國的核電技術路線M310，并與法國核電公司充分合作，建成了在中國核電歷史上占據重要地位的大亞灣核電站。1979年，中廣核集團引進了法國核電技術路線M310型壓水堆。1987年開工的大亞灣核電站是中國與法國核電的首次接軌，由此也加深了中法兩國的核電項目合作，使中國核電工作者有機會從近距離了解核電的管理、建設及運做等流程。

進入中國核電工業整體低迷的階段以后，中國廣東核電集團仍然果斷大膽地繼續研究M310技術，從而使嶺澳項目一舉成為整個中國核電低迷階段唯一的亮點，更開拓了關于整個CPR1000系列的前進方向，同時贏得了國際核電組織的認可，為集團在國際上的聲望打下了堅實的基礎。

1997年，中廣核集團以大亞灣核電站為參考建成了嶺澳核電站一期。該電站對M3l0技術路線進行了52項重要技術改進。按照國際標準，實現了項目管理自主化、建筑安裝施工自主化、調試和生產準備自主化，實現了部分設計自主化和部分設備制造國產化，形成了擁有自主知識產權的核電技術路線CPR1000。

表1 我國CPR1000發展的三個階段

由于CPR1000通過了國際原子能機構的認證，在國際核電領域也得到了較高的認同，擴大了我國核電在國際核電領域的影響力，對我國未來的核電發展起到了積極的作用。CPR1000模仿早期的M310，并根據中國的國情完善和修改了技術，形成了屬于自己的技術路線，之后得到了國際原子能機構的認可。CPR1000路線己逐漸成為我國自主核電工業的一面旗幟。

由于大亞灣項目的順利投產和良好運營，該運營商中國廣東核電集團發現了一條可行的發展方案，并迅速抓住契機，從1994年開始，就大力投入到對大亞灣核電項目所使用的M3l0技術路線的改進和創新當中去，逐漸形成了擁有自主產權的中國壓水堆核電技術路線一一CPR1000，并首次應用在嶺澳項目中。1997年，嶺澳核電項目第一次應用CPR1000技術路線，開創了我國核電自主核電技術的先河，中國核電第一次擁有了自己的品牌。CPR1000作為“二代加”技術，通過持續科技進步，逐漸趨近第三代，可以保證與先進技術更加平穩地銜接過渡。

2005年起，嶺澳二期項目上馬。嶺澳核電站二期作為我國自主品牌CPR1000核電技術示范項目，運用了數字化儀控、半速汽輪機等15項重大技術和40多項其他技術的改進，首次實現了我國百萬千瓦級壓水堆核電站的自主設計、自主制造、自主建設、自主運營。在建造和運行的過程中，中廣核集團繼續創新，將CPR1000不斷完善，并形成了規模化、系列化。可以說，堅持CPRIO00技術路線已經成為中廣核集團在中國核電工業領域內競爭的一柄利器。同時，由于國際原子能機構在對該電站做全面評審后得出令人滿意的結果，中廣核集團的CPR1000技術路線被確認為可靠、有價值的核電標準。這也為中廣核集團的后續核電發展奠定了堅實的基礎。中廣核集團在此后又建造并籌劃建造了6座核電站，它們是嶺澳二期核電站、紅沿河核電站一期、寧德核電站一期、陽江核電站、陸豐核電站一期、紅沙核電站，均采用CPR1000技術路線。

為貫徹落實《核電中長期發展規劃（2005一2020年）》和《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》，促進核電設備的開發與制造，提高我國核電裝備自主化水平，加快核電裝備自主化進程，在2007年7月21日至22日國家發改委組織召開的核電裝備自主化工作會議上，中廣核集團匯報了依托嶺澳核電站二期和遼寧紅沿河核電站建設，積極推進CPR1000核電項目設備國產化的部署和有關情況，中廣核集團所屬中廣核工程有限公司分別與國內多家企業簽署了7項CPR1000核電項目設備聯合開發協議。

2008年，紅沿河核電站、寧德核電站均采用我國核電自主品牌技術CPR1000進行建設，目前各項工程建設正全面展開，順利推進。加上嶺澳核電站二期工程，目前中廣核集團屬下采用CPR1000建設的核電項目共有3個項目10臺機組已開始批量化建設，標志著核電已經成為我國能源戰略的重要組成部分，我國核電正進入快速發展、規模發展的新階段。

第三代核電的核心關鍵技術

我國第三代核電自主化依托項目工程建設總體上進展順利，安全、質量、進度都處于全面受控狀態。在此過程中，我國引進消化吸收再創新和自主創新，在世界上率先掌握了第三代核電AP1000的五大核心關鍵技術。這五大核心關鍵技術分別是:核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注技術、核島鋼制安全殼底封頭成套技術、模塊設計和制造技術、主管道制造技術、核島主設備大型鍛件制造技術。

1、核電站核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注技術

2009年4月19日，我國第三代核電自主化依托項目首臺機組、世界上首臺AP1000核電機組——浙江三門核電站一號機組核島第一罐混凝土澆注及養護取得成功，已全面進入主體工程建設階段。 三門核電站一號機組主體工程第一罐混凝土澆注工作取得了良好效果，這是迄今為止我國核電站工程建設首次采用核島筏基混凝土一次性整體澆注的先進技術，創造了世界上核電站核島筏基大體積混凝土整體連續澆注的成功范例。

大體積混凝土一次性整體澆注，可以實現核電站核島基礎的一次整體成形，具有無接口、防滲好等技術優點，特別適合安全性能要求較高的核電施工。但由于澆注后的養護是難點，一直是施工的一大技術難題。為確保澆注第一罐混凝土取得成功，2008年5月，國家核電技術公司、國核工程公司、三門核電現場啟動了專項計劃；2009年3月1日，完成了所有實體準備工作；3月10日，三門核電站一號機組核島完全具備澆注混凝土實體條件，三門核電現場還進行過多次模擬澆注；3月11日，國家核安全局組織相關專家對一號機組核島澆注進行檢查驗收；3月13日，三門核電現場完成對澆注工作的最后一次質量檢查。

2、核島鋼制安全殼底封頭成套制造技術

2009年12月21日，三門核電站一號機組核島鋼制安全殼底封頭成功實現整體吊裝就位，這一底封頭的鋼材制造、弧形鋼板壓制、現場拼裝焊接、焊接材料生產、整體運輸吊裝等都是由中國企業自主承擔完成的。

AP1000首次采用在核電站反應堆壓力容器外增加鋼制安全殼的新技術。鋼制安全殼是AP1000核電站反應堆廠房的內層屏蔽結構，是非能動安全系統中的重要設備之一。AP1000鋼制安全殼底封頭鋼板的典型特征是大尺寸、多曲率、高精度，采用整體模壓一次成型技術，尚屬世界性難題。中方企業攻克了一系列世界性的技術難題和工藝難關，提升了我國核電裝備制造和相關材料研制的水平。

3、模塊化設計與制造技術

2009年 6月29日，三門核電站一號機組核島最大的結構模塊CA20模塊成功吊裝就位，開啟了我國核電站工程模塊化建造的新時代。CA20模塊的工廠化預制和現場拼裝、組焊、整體吊裝的順利完成，標志著AP1000技術的模塊化設計和施工的先進理念已經從理論變成了現實。

CA20模塊是AP1000的最大一個結構模塊，長20.5米，寬14.2米，高20.7米，近7層樓高，由18個房間構成，包括32個墻體子模塊和40個樓板子模塊，結構總重達749噸，加上吊具等起吊總重量達到968噸，相當于700多輛小汽車的重量。

使用模塊化建造方法，可以實現核電站核島工程建設中的土建和安裝的交叉施工，能大大縮短核電站的工程建設周期。通過模塊的工廠化預制，可有效提高工程建造的質量。

4、主管道制造關鍵技術

2010年1月11日，我國AP1000自主化依托項目國產化主管道采購合同在北京簽訂。國核工程公司與中國第二重型機械集團公司(德陽)重型裝備股份公司簽訂了主管道采購合同。

核電站主管道是連接反應堆壓力容器和蒸汽發生器的大厚壁承壓管道，是核蒸汽供應系統輸出堆芯熱能的“大動脈”，是壓水堆核電站的核一級關鍵設備之一。AP1000機組采用了超低碳控氮不銹鋼整體鍛造技術，材質要求高、加工制造難度大，堪稱目前世界核電主管道制造難度之最。

AP1000主管道是我國AP1000自主化依托項目中唯一沒有引進國外技術的核島關鍵設備。中國二重集團等國內多家企業通過為時兩年的科研攻關，自主突破了AP1000主管道制造的技術難關，制造的主管道1:1模擬件綜合技術指標已完全符合美國西屋公司的設計技術標準，達到世界一流水平，大幅降低了主管道的采購成本。

5、關鍵設備大型鍛件制造技術

2009年12月22日，中國一重承擔的三門核電站2號機組蒸汽發生器管板鍛件研制取得成功，在先前實現AP1000核島反應堆壓力容器鍛件完全國產化的基礎上，再次實現了蒸汽發生器鍛件的完全國產化，一舉攻克了制約我國核電發展的重大技術難關，大幅提升了我國核電裝備制造的整體水平和技術能力，打破了國外企業在高端大型鑄鍛件市場的壟斷。

以前，我國的大型鑄鍛件企業因制造能力和技術上的差距，使國內高端大型鑄鍛件市場和技術被國外巨頭壟斷，尤其是在核電大型鑄鍛件上，國外更是實行技術封鎖。

除大型鍛件外，目前，反應堆壓力容器、蒸汽發生器、主泵、主管道、鋼制安全殼等核島關鍵設備國產化工作均取得實質性進展，確保了我國后續三代核電批量化、規模化發展。

引進第三代核電技術的必要性

1、帶動相關產業發展

我國政府決定引進AP1000技術，肯定是在高瞻遠矚、權衡全局利弊，同時考慮了技術風險的可接受程度后作出的決策。AP1000核電技術的引進，直接帶動了我國先進核電的建設，使世界首批三代核電AP1000機組落戶中國。同時，在研發設計環節、工程管理領域、設備和產品制造領域、運行服務環節完善并逐步形成了三代核電自主化發展的整體鏈條，帶動了與核電相關的科研、冶金、裝備制造、信息化等多個產業的發展。國家核電技術公司積極探索“標準化設計、工廠化預制、模塊化施工、專業化管理、自主化建造”的三代核電發展新路子。同時，更以加快形成我國具有自主知識產權的大型先進核電技術品牌為目標，統籌協調我國的涉核單位和行業資源，使我國核電產業初步形成了跨行業、跨地區、跨部門、跨學科的團結協作、奮力攻關的新局面。

2、促進自主創新

AP1000并不是我國核電技術的終點。國家核電技術公司的重要使命是在消化、吸收、全面掌握第三代核電AP1000先進技術的基礎上，通過再創新形成具有自主知識產權的、功率更大的大型先進壓水堆核電技術品牌。目前，我國大型核電重大專項的實施管理模式和協作攻關的態勢初步形成。重大共性技術和關鍵設備材料研究工作，核電大型鍛件、鍛造主管道、蒸汽發生器690合金U型傳熱管研制等課題取得較大進展。兩年來，國家核電技術公司堅定不移地推動以大型核電重大專項示范工程（CAP1400）建成投產為標志的三代核電自主化，我國自主創新的“大核電”揚帆起航。只有擁有具有自主知識產權的大型先進核電技術，我國才能由“核電大國”轉變成為“核電強國”，才能在滿足國內核電自主建設發展的同時，實施核電成套技術“走出去”戰略，贏得世界核電大單。

第三代核電的優勢

1.安全性

核電站安全目標有兩個指標，一是反應堆堆芯熔化率（簡稱堆熔概率），二是大規模釋放放射性物質的概率（簡稱釋放概率）。如果以每核反應堆每年來計算的話，二代堆的堆熔概率為10-4，也就是每堆每年出現萬分之一的可能性；而釋放概率為10-5，也就是每堆每年有10萬分之一的可能會發生核物質大規模釋放。第三代核電機組要有更高安全目標。即堆芯熱工安全裕量＞l5%，堆芯損壞概率＜10-5/堆年，大量放射性外泄＜10-6/堆年。兩次核電事故后，法規和標準對安全目標的要求又提高了，而AP1000的安全目標比前兩者更高，具體見附表2。

AP1000的關鍵技術是采用非能動安全系統，具體表現在采用非能動安注、多級非能動自動卸壓系統、非能動余熱排放系統和非能動安全殼冷卻系統。AP1000核電站引入了嚴重事故預防和緩解措施，如堆腔淹沒技術、自動卸壓系統(ADS)、抑制氫爆的氫復合系統(氫點火器和非能動氫催化復合)、堆芯熔融物壓力容器內保持(IVR)等技術。同時，AP1000采用雙層安全殼和全數字化儀控系統。

AP1000核電站的非能動堆芯冷卻系統不依賴外部電源，采用非能動余熱導出、非能動安全注入以及非能動安全殼冷卻。可以保證長時間的安全停堆。還可以保證大于72h不用操作員干預。

EPR核電站采用4通道安全系統和雙層安全殼。引入了嚴重事故預防及緩解措施，如穩壓器卸壓、堆芯撲集器和非能動氫復合器。

2、經濟性

第三代核電機組要有更好的經濟性，具體表現在機組額定功率為l000～1500MWe，可利用因子＞87%。換料周期18～24月，電站壽命60a，建設周期48～52月，電價要能與聯合循環的天然氣電廠相競爭。因此，第三代核電機組在技術上更先進，經濟上更占優勢。

表2 核電站安排性比較