AP1000核電機組本土化研究進展

歐陽予

AP1000核電機組本土化研究進展

歐陽予

編者按：AP1000核電技術作為第三代核電技術代表之一，引入了安全系統非能動理念，在設計中采用了非能動的嚴重事故預防和緩解措施，大大降低了發生人因錯誤的可能性，進一步提高了核電廠的安全性，同時也會降低核電機組建設和運營的成本。針對我國AP1000核電機組本土化研究進展，本刊專訪了核電專家歐陽予院士。

《中國核電》：核能在當今能源和經濟領域中發揮著重要的作用，請您介紹一下核能發電技術的發展歷程。

歐陽予：核能發電可以分為幾個階段：1954年，蘇聯建成了電功率為5 000 kW的實驗性核電站；1957年，美國建成了電功率為9萬kW的希平港原型核電站，從而證明了利用核能發電技術的可行性，國際上把這種實驗性和原型核電機組稱為第一代核電機組。

20世紀60年代后期以來，一些國家陸續建成了一些電功率30萬kW以上的壓水堆、沸水堆、重水堆等核電機組，不僅進一步證明了核能發電技術的可行性，也證明了核電在經濟性上能與火電、水電相競爭。目前，世界上正在商業運行的400多臺核電機組絕大部分是在這段時期建成的，這些機組被稱為第二代核電機組。我國目前已經運行的核電機組都屬于第二代核電機組。

1979年和1986年分別發生的三哩島和切爾諾貝利核事故，使得人們重新重視核電的安全性。科研人員針對第二代核電機組不足之處，進一步采用經過開發驗證可行的新技術，以顯著改善核電機組的安全性和經濟性，滿足美國URD文件、歐洲EUR文件和國際原子能機構NUSS建議法規（修訂第二版）的要求。國際上把滿足上述要求的核電機組稱為第三代核電機組。目前，經核安全監管當局批準，可以進行商用建造的第三代核電機組有AP1000、EPR、SYSTEM80+等。我國正在建設的浙江三門核電站、山東海陽核電站就是采用了第三代AP1000核電技術。

同時，科研人員也在積極研發第四代核能系統。2000年1月，在美國能源部的倡議下，10個有意發展核能利用的國家派專家聯合組成了“第四代國際核能論壇”（GIF），于2001年7月共同約定合作研究開發第四代核能系統（GenⅣ）。第四代核能系統開發的目標是要在2030年或更早一些時間創新地開發出新一代核能系統，使其在安全性、經濟性、可持續發展性、防核擴散、防恐怖襲擊等方面都有顯著的先進性和競爭能力；它不僅要考慮用于發電或制氫等的核反應堆裝置，還應把核燃料循環也包括在內，組成完整的核能利用系統。中國原子能科學研究院研發的中國試驗快堆就屬于第四代核能系統。

《中國核電》：您提到了第三代核電機組比第二代更加安全，請具體介紹一下第三代核電機組的安全性。歐陽予：第二代核電機組是在20世紀七八十年代根據老的安全法規設計的，沒有把嚴重事故（即堆芯熔化事故和放射性向環境大量釋放事故）作為設計基準，僅考慮有限的防范和緩解。同時，第二代核電廠的安全殼也沒有考慮對嚴重事故的負載。

第三代核電技術吸取了第二代的運行經驗和成熟技術，充分使用幾十年來的科技進步成果，按照URD、EUR或NUSS的新安全法規設計，為提高安全性，必須要有預防和緩解嚴重事故的設施，并考慮安全殼對嚴重事故的負載。

它首先是著重于設置預防和緩解嚴重事故的措施，將出現堆芯熔化和安全殼失效導致放射性大量釋放到環境的概率降到很低的水平（現已分別定為不大于10-5/堆?年和10-6/堆?年）。科研人員從兩條不同的技術路線來進行這方面的工作：一條技術路線是在第二代基礎上再增加和強化專設安全系統。例如安全注射、堆芯余熱排出等系統由二系列增加為四系列；相應地，應急安全電源等支持系統也由二系列增加為四系列；以及增設堆芯熔融物捕捉和冷卻系統以防止安全殼熔穿等。另一條技術路線是從根本上革新，利用自然界固有的規律來保障安全，即利用重力、慣性，流體自然對流、擴散、蒸發、冷凝等原理，在事故應急時帶走堆芯余熱，確保冷卻反應堆廠房（安全殼）完好無損。這就是以AP1000為代表的第三代核電技術所采用的“非能動”安全系統的技術路線。這條路線，既簡化了系統、減少了設備和部件，又大大提高了安全性。發生事故時，人機接口簡化，人因錯誤的可能性也相應降低。所以，從技術上講，非能動技術路線顯然先進一些。

《中國核電》：我國的浙江三門核電站、山東海陽核電站采用了AP1000核電技術，請您談談AP1000核電技術的成熟性。

歐陽予：AP1000核島主系統的主設備，即反應堆、主泵、穩壓器、蒸汽發生器等，主要都是在已有運行經驗的設備基礎上選用或改進設計的，所以說技術上是不用擔心的。

AP1000反應堆堆芯是西屋公司標準的“314”型，由157件長度為14英尺的燃料組件所組成，這種反應堆堆芯已有兩套在比利時（Doel 4，Tihange 3）運行，已有20多年的運行經驗。雖然西屋公司AP1000的“314”型與比利時的“314”型相比略有改進，但都屬于同一型號在分期建造中的改良，屬于翻版加改進的性質。

AP1000所用的△125型蒸汽發生器與已有運行經驗的△75型（已用于V.C.SUMMER核電廠）、△94型（已用于SOUTH TEXSAS核電廠）和△109型（已用于ARKANSAS核電廠）的結構、性能和容量大體相同而略有改進，也屬于翻版加改進的性質。

關鍵是AP1000所用的屏蔽電機主泵。屏蔽泵雖然在小功率的核電站上用過，在核潛艇、核航空母艦和石化工業上大量使用過，證明了它有很多優點，但在大功率核電機組上還沒使用過。所以，對AP1000大型屏蔽電機泵必須經過充分的試驗驗證，鑒定合格，以證明其確已滿足工程使用的要求。西屋公司及屏蔽泵供應商EMD公司已制訂了詳細的試驗驗證計劃，正在組織實施，我們必須密切加以關注。

主泵供應商EMD公司分別在2009年9月、2010年2月做了2次中間試驗，主泵軸承還存在一些問題。西屋公司、EMD公司正在分析、查找原因，EMD公司也在積極地進行中間試驗。

至于專設的核安全保障系統和設施，在電站運行時一般只是“站崗放哨”的“保衛部門”，正常發電時一般是不動作的，只是在事故應急時才動作（這種情況最好不發生）。所以，衡量它們的成熟性主要不是看它陪著核電站主系統運行了多長時間，而是要看是否已經過充分的論證和試驗驗證，鑒定合格，并經政府主管部門和核安全當局批準。

AP1000設計控制文件（DCD）已于2004年9月經美國核管理委員會批準，已給西屋公司頒發了最終設計批準書（FDA），2005年12月又頒發了設計證書，肯定了它的成熟性。

《中國核電》：請您談談我國在AP1000核電技術項目上的歷程。

歐陽予：對于我國來說，應該通過自主開發與引進技術相結合，達到能自主設計和建造第三代百萬千瓦級大型先進壓水堆核電機組的目標，形成先進的、標準化的、能批量建造的產業規模，優質、高速、安全地發展核電。在此基礎上還應不斷改進、創新，開發出具有我國自主知識產權的中國品牌的先進核電機組。

為此，國務院領導決定，以浙江三門和山東海陽兩個核電項目作為第三代核電自主化依托工程，引進技術，建設4套第三代壓水堆核電機組。通過這4套機組建設和消化吸收引進技術，使我國不僅具有獨立自主設計建造和系列發展第三代百萬千瓦級核電機組的能力，而且具有繼續改進、提高、創新、發展的后勁，能針對其不足之處和發展空間自主進行研究開發，力爭在一定時期內設計出具有我國自主知識產權的第三代大型先進核電機組，并著手建造示范機組，然后逐步推廣。

2003年9月，啟動了三代自主化依托項目國際招標，主要在AP1000和EPR二者之間選擇。2006年12月16日，中美兩國政府簽署《關于在中國合作建設先進壓水堆項目及相關技術轉讓的諒解備忘錄》。2007年3月1日，國家核電技術公司會同浙江三門、山東海陽項目業主與美國西屋聯合體簽署了《核島采購框架合同》和《技術轉讓框架合同》。2007年7月24日，我國第三代核電自主化依托項目簽字儀式在人民大會堂舉行。國家核電技術公司、三門核電公司、山東核電公司與美國西屋聯合體及其分包商分別簽定了依托項目4臺機組的核島采購合同和技術轉讓合同。按照合同規定，中方將與美方合作設計、建造4臺AP1000機組，并從美方采購部分設備。美方轉讓AP1000設計技術、設備制造技術、建造技術及機組成套等技術。合同規定，在合作設計、建設依托項目和中方消化吸收轉讓技術的同時，中方將自主地、系統地開展“AP1000驗證設計”，美方有責任對“驗證設計”進行復核，以確認其可用于AP1000后續工程。合同還明確，我國在掌握轉讓技術的基礎上自主創新，設計建成額定電功率不小于135萬kW的非能動核電機組，即擁有我國的自主知識產權，并可出口國外。

《中國核電》：請您談談我國目前在AP1000核電技術上取得了哪些成果。

歐陽予：經過幾年的努力，我國已在世界上率先掌握了模塊預制、拼裝組焊、整體吊裝的工藝和技術，掌握了鋼制安全殼CV底封頭、筒體的鋼材研制、弧形鋼板壓制、拼裝焊接、焊材本土化生產和整體運輸吊裝的工藝和技術，掌握了AP1000核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注的工藝和技術。

經過浙江三門核電站1號機組的工程實踐，及時總結、反饋經驗，使其他機組相應節點的工期進一步縮短，質量進一步提高，專業化管理的優勢得到體現，為依托項目后續節點和AP1000后續項目建設積累了寶貴的經驗。

目前，國內企業在主管道、壓力容器、蒸汽發生器鍛件本土化、CV鋼板研制和底封頭、1號環的制造、安注箱、堆芯補水箱、余熱排出熱交換器研制等方面都取得了成功。

在技術轉讓方面，國家核電技術公司作為三代核電技術引進消化吸收和再創新的主要載體和研發平臺，正在穩步推進AP1000的技術轉讓和消化吸收工作。據了解，目前技術轉讓進展比較順利，第三方軟件引進取得突破，TP3（初步安全分析報告）的所有文件已完全交付，已報送國家核安全局審查。對其余文件正在進行檢查、整理，組織消化吸收。國家核電技術公司正在與有關部門和單位溝通，制定AP1000技術在國內的分許可辦法。

目前，適應于浙江三門、山東海陽兩廠址的AP1000工程設計，由美方負責，正在美國匹茨堡進行，我方派人參加。另有部分BOP等子項分包給我國設計。但是，單靠參加這些設計工作，我們并不能達到真正能獨立自主設計AP1000后續項目的目的。

因此，要結合消化吸收引進技術，開展驗證設計，從反應堆物理、熱工、水力、堆芯及核燃料性能、結構力學到主回路系統、安全系統、安全分析等根本性能做起，做一整套完整的設計，在其中實際使用和驗證引進的技術，必要時還得做驗證試驗，做到“不僅知其然，而且知其所以然”，這樣才能早日設計制造出擁有自主知識產權的第三代核電機組。

Independent Research Progress of AP1000 Nuclear Power Plant

OUYANG Yu