CAP1400核電新突破

文‖《上海國資》記者 孫一元

CAP1400核電新突破

文‖《上海國資》記者 孫一元

國產化是自主的設計過程，自主創新則每個階段都是攻堅戰

2016年12月29日,由上海核工程研究設計院自主設計并主持研發的CAP1400燃料定型組件在包頭順利下線,標志著國內自主化高性能燃料研發領域取得突破性進展。此前,由上海核工程研究設計院牽頭,上海電氣下屬企業上核、一機床等單位聯合承擔的壓水堆重大專項CAP1400核島重大設備設計技術研究課題通過了國家能源局正式驗收。

“表明中國三代核電技術能力進展喜人。”上海市核電辦公室教授級高級工程師夏春申告訴《上海國資》。

新突破

CAP1400是中國三代核電自主化的代表堆型,是在消化、吸收、全面掌握中國引進的第三代先進核電AP1000非能動技術的基礎上,通過再創新開發出具有中國自主知識產權、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電機組。示范電站由國家核電技術公司和中國華能集團公司共同出資設立的國核示范電站有限責任公司負責建設管理和建成后的商業運營,位于山東威海市榮成石島灣廠址,擬建設2臺CAP1400型壓水堆核電機組,設計壽命60年,單機容量140萬千瓦。

夏春申介紹,CAP1400由中國200多家企事業單位20000多人經過7年多努力最終成功研發,是功率更大、安全性更高的大型先進非能動核電型號。跟AP1000相比,CAP1400對核反應堆及所有主設備都進行了全新的設計。“反應堆、主設備、安全系統都經過了大量的實驗驗證,不僅功率更大,同時進一步增強了核電站抗擊地震、外部水淹等極端自然災害的能力。各方面新突破不少。”

據悉,CAP1400燃料組件是國內基于世界先進堆芯和燃料運行與安全技術要求開發的,整體研發工作分為原型組件、定型組件和先導組件三個階段,最終目標為實現自主化燃料的堆內輻照考驗及商業應用。CAP1400燃料定型組件作為第二階段工作的標志性成果,具有承上啟下的重要里程碑意義。為下一階段先導組件的研發工作以及CAP1400燃料組件的最終商業應用奠定了扎實基礎。

CAP1400核島重大設備設計技術研究課題,旨在通過理論分析、模擬計算、試驗驗證,全面掌握CAP1400反應堆壓力容器和一體化堆頂組件、蒸汽發生器、堆內構件、控制棒驅動機構、環行吊車與燃料裝卸和貯存系統及設備,以及核電泵、閥和特殊設備等的關鍵設計技術。該課題通過驗收,表明中國已完成CAP1400核島重大設備自主設計以及主泵總體設計,系統地實現了核島設備設計的自主化。

“這兩項進展,將大為提升中國三代核電核島重大設備、關鍵材料的國產化和產業化水平。不僅支撐自主知識產權CAP1400核電技術的安全性和可靠性,增強國內核電產業的裝備制造和技術能力,也為示范工程開工建設和CAP1400‘走出去’奠定堅實基礎。”夏春申表示。

中國“心”

CAP1400核電是名符其實的中國“心”。

跟AP1000相比,CAP1400重新設計了反應堆和所有主設備,堆芯采用193盒高性能燃料組件,并自主設計可抗擊大型商用飛機撞擊的鋼板混凝土（SC）結構屏蔽廠房、汽輪機發電機系統和輔助系統、鋼安全殼等關鍵設備也得以重新設計。進一步增強核電站抗擊地震、外部水淹等極端自然災害的設防,非能動安全系統具備72小時后的補給能力。

為形成完全獨立自主的知識產權,CAP1400在設計過程中,從核電站的總體設計、工程設計到試驗驗證、安全審評、整條產業鏈上相關的裝備制造等,各方面都要接受創新變革帶來的挑戰。例如,為滿足凈功率1350MW的要求,CAP1400進行了很多突破性創新：增大了鋼安全殼直徑,增大了主管道直徑,增加了蒸汽發生器換熱面積。

“國產化絕不是簡單地把圖紙、文件翻譯成中文就行了,國產化是自主的設計過程,而自主創新則每個階段都是攻堅戰。” CAP1400研發工作主要技術責任單位——上海核工程研究設計院院長、CAP1400總設計師鄭明光表示。

鄭明光告訴《上海國資》,為充分確保安全性,當時國家核安全局對CAP1400所進行的審評深度和范圍極其嚴格,來自業內各方面近300位專家,對CAP1400開展安全評審。

“核安全局超過260名工作人員參與到CAP1400審評中,在長達18個月的時間內,針對5000多個問題進行了多次對話。”

安全評審期間,鄭明光帶領一批經驗豐富的研發設計人員,對這5000多個問題進行逐一回答和澄清。最終,從傳統的文件審查,到專項審查、獨立審核計算、試驗驗證、獨立試驗,CAP1400的安全性得到了全方位的充分驗證。

“CAP1400采用了非能動堆芯冷卻系統、非能動安全殼冷卻系統的組合設計。在不依賴外部電源的情況下,能確保極端事故條件下堆芯衰變熱有效導出,事故發生72小時內無需人工干預,72小時后具備補給能力,安全性比二代核電提高兩個量級。”鄭明光說。

非動能技術通俗地來講,在異常情況下,比如說地震,海嘯發生時,如果機組被損壞或者被水淹沒,能動設備會失效。而非能動技術,依靠自然機理的作用,如重力、預置力與能量、溫度差、密度差或兩者結合,可以導出堆芯的余熱。

制造能力

“CAP1400的研發,是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》確定的16個國家科技重大專項之一。”夏春申告訴《上海國資》,在CAP1400自主研發設計上,上海核工院和上海電氣、上海交通大學等產學研結合,基本完成了CAP1400關鍵設計技術研究。在設備制造上,上海有比較優勢。

核島主設備包括壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、堆內構件、控制棒驅動機構、主泵及大型鑄鍛件。對CAP1400而言,最具有挑戰性的核島主設備主要為主泵、爆破閥和數字化儀控系統。

“AP1000的主泵在制造過程中曾遇到了不少困難,試驗過程中也出現一些問題。”夏春申告訴《上海國資》,為了避免類似難題,國家核電技術公司對CAP1400關鍵設備安排了2—3家企業進行培育,“兩手準備”。

A P 1 0 0 0的主泵為屏蔽式主泵,CAP1400則除了在此技術基礎上自主化研發屏蔽式主泵,還選擇上海電氣凱士比核電泵閥有限公司（SEC-KSB）,采用德國凱士比KSB公司的濕繞組泵技術路線,“雙保險”推進。

2011年9月,國核工程有限公司與SEC-KSB簽署CAP1400濕繞組主泵訂貨合同,2012年3月，完成初步設計評審工作,2014年2月，完成了樣機試驗方案的評審工作。2014年9月3日,CAP1400示范工程濕繞組主泵樣機芯包（主泵除泵殼外的可移出部分）在完成全部電氣部分試驗后,從德國漢堡港啟運離港,當年10月中旬到達上海電氣凱士比核電泵閥有限公司（SEC-KSB）并啟動了工程試驗和耐久性試驗。

“上海電氣凱士比核電泵閥有限公司采用德國技術,加上相關實驗驗證極為嚴格,目前看來會獲得更多認可。” 夏春申透露。他表示,在設備制造上,如果上海電氣凱士比核電泵閥有限公司在主泵上獲得突破,上海將在CAP1400設備制造上“能力大增”。

上海電氣是國內首個實現百萬千瓦級核電站核島主設備的成套供應商,核島主設備地國內市場占有率達到43%,其中堆內構件、控制棒驅動機構兩項占有90%以上。如果主泵上再獲突破,市場占有率有望繼續提升。