大型先進壓水堆核電站重大專項十年回顧

范霽紅

(國家電力投資集團公司,北京 100033)

大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項(以下簡稱壓水堆專項)在2008年2月通過國務院常務會議的審查后正式啟動,轉眼已是整整十年。回顧十年的歷程,由國家核電技術公司牽頭的壓水堆專項攻關實施團隊根據 《大型先進壓水堆核電站重大專項總體實施方案》確定的目標,克服了重重難關,推動了第三代核電技術在中國的落地生根,使中國在第三代核電技術應用上走在了世界前列,而且帶動了我國高端裝備制造企業的成長,推動了中國制造向中國創造的轉變。通過十年的不懈努力,壓水堆專項形成了數千項專利和技術秘密,取得了數百項重大技術突破,一大批新材料新工藝得到應用。AP1000中國版具備批量化建造條件,具有自主知識產權的大型非能動安全CAP1400核電站已經完成了設計,大量關鍵設備已經研制完畢,具備開工建設條件。

1　圍繞國家戰略、務實確立目標

2006年,中央決定引進美國AP1000核電技術,并通過實施大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項,高起點實現我國三代核電技術的自主化。根據國家科技重大專項管理要求,當時給壓水堆專項確立的目標,一是消化吸收AP1000核電技術,包括設計、建造、運行技術和關鍵設備設計、制造技術,核燃料組件和核級鋯材制造技術。二是完成具有自主知識產權的CAP1400核電站開發,并建成示范工程。三是開展1700 WM級大型非能動先進核電關鍵技術攻關。四是開展壓水堆重大共性技術和關鍵設備與材料攻關,提高核電產業整體技術能力。其中,CAP1400開發是壓水堆專項的核心任務。CAP1400核電站的設計水平,檢驗我們對AP1000技術的理解和掌握程度,以及對核電技術創新的能力。CAP1400設備的研制,也將檢驗我們在核電關鍵設備、材料設計和制造技術方面的能力。關于CAP1400的具體指標,可以高一點也可以低一點,但核心的三點必須達到:一是實現自主知識產權,二是安全性和經濟性不低于AP1000,三是進度在2020年左右完成。在圍繞這樣的頂層要求論證CAP1400的具體開發目標時,受到當時國內核電設計和裝備制造能力的很多制約。在2007年 《實施方案報告》論證時,甚至在2008年CAP1400概念設計論證時,國內大型屏蔽電機泵的設計制造經驗還很缺乏,當時AP1000的屏蔽電機主泵也沒有完成制造,因此確定CAP1400的主泵方案成為一個難題。一方面,由于CAP1400與AP1000都是兩環路核電站,而CAP1400功率必須比AP1000增加10%以上才能獲得自主知識產權,要求CAP1400主泵的流量必須相應增加。另一方面,AP1000的主泵屏蔽電機已經是當時世界上最大的屏蔽電機了,設計制造更大的屏蔽電機難度非常大。CAP1400設計團隊既希望為CAP1400選擇一款較為理想的主泵,又要考慮設備設計制造的可行性。要是主泵造不出來,再好的CAP1400設計也只是紙上談兵。當時沒有人能保證為CAP1400研制一款更大功率的屏蔽電機。AP1000的主泵電機頻率是60 Hz,使用時要求變頻器長期工作,有的專家提出CAP1400主泵應該將AP1000的60 Hz屏蔽電機改為適合中國的50 Hz屏蔽電機。大多數專家的想法是既想改,又怕因為改不成影響了CAP1400的整體進展,為此專家們進行了激烈的爭論,最后大多數專家考慮國內制造業的能力,考慮到CAP1400作為一個重大標志性成果及時交付的重要性,都支持了設計團隊暫不修改主泵電機頻率,留待CAP1400后續機組再將主泵電機頻率從60 Hz修改為50 Hz的考慮。最后國家能源局批準的CAP1400概念設計,主泵電機保持60 Hz不變,通過降低主泵揚程,實現增加流量以滿足CAP1400堆芯流量增大的需求。這樣一個方案,雖然使CAP1400機組毛功率超過1400 MW,滿足中方獲得自主知識產權這樣一個合同約定的基本條件,但是反應堆的參數顯然不是最優的。但在當時,是一個切實可行的決策。

2　砥礪前行中不斷超越

在壓水堆專項實施過程中,設計人員不斷優化CAP1400方案,同時越來越感覺主泵成為制約CAP1400性能優化的重大障礙。尤其是隨著中方對AP1000技術的消化吸收,技術信心不斷增強,其他制約CAP1400總體參數優化的因素不斷被克服,主泵電機不改已經不能滿足CAP1400的需要了。在這個過程中,哈電和沈鼓等主泵設計制造企業對外方轉讓的主泵設計,制造技術的掌握也越來越深入。尤其是中方主泵設計和制造團隊全程參與了AP1000主泵工程試驗和耐久性試驗,在過程中與外方一起不斷發現問題和解決問題,中方對大型屏蔽電機泵的設計、制造也越來越有信心,具備了為CAP1400重新設計主泵的能力。為CAP1400量身打造一款主泵成為團隊的新共識,在這個過程中,CAP1400的參數不斷優化,對主泵的要求也不斷的變化,始終保持了與CAP1400反應堆參數達到最佳匹配。定型的主泵方案,電機頻率50 Hz,機功率比AP1000主泵增大20%?，F在,CAP1400主泵工程樣機已經造出來,通過第一階段的試驗,表明其流量、揚程、效率、惰轉等關鍵指標達到設計要求。

在壓水堆專項實施過程中,實施管理團隊就是這樣根據新的認識和可能不斷提出新的要求,超越原定目標。最終的結果,就是CAP1400的總體性能指標遠遠高于最初的設想,設備自主化的程度也遠遠高于原定的設想。

壓水堆專項實施伊始,就為CAP1400制訂了明確的自主知識產權目標。但是擁有完整自主知識產權并不等同于出口不受限制。要做到出口不受限制,還必須解決好供應鏈中關鍵環節的自主化。一開始,對CAP1400的出口考慮得并不多,也未在專項中有針對性安排。其中的原因,一方面因中國是世界上最大的核電市場,有明確的核電發展需求,CAP1400首先應滿足國內核電發展的需要,在國內建設的數量可以達到幾十臺,在這個過程中可以不斷提升供應鏈的自主化水平,國內發展一段時間再進入國際市場似乎也不遲。另一方面,國際壓水堆市場 (除巴基斯坦外)有西屋、阿?，m、俄羅斯原子能公司等廝殺,我們當時沒有明確的目標市場,新的國際市場開拓的時間周期長、前期投入巨大。但是專項啟動不久,高鐵的成功走出去和韓國在阿聯酋核電項目中標,極大地刺激了我國核電界,壓水堆專項實施管理團隊因此全面、系統地考慮起CAP1400走出去問題。經認真分析后,認識到在壓水堆專項原定的攻關任務實現后,還必須解決好三大主要問題,CAP1400走出去才會更加順暢。一是開發自主化的核電設計分析軟件。原定的任務專注于CAP1400的開發,開發CAP1400所需的軟件工具當然是用西屋成熟的軟件工具為好。但是CAP1400如果出口到國外,如果沒有自己的核心軟件工具就一定會因此受制于人。第二是核燃料組件及其所用的鋯材。西屋公司已經將當時最先進的Perf or mance燃料組件加工制造技術和相應的核級鋯材技術許可給我們在國內使用,完全能滿足CAP1400在國內建設運行的需要。但是如果出口CAP1400,沒有自主知識產權的核燃料組件及包殼材料也勢必受制于人。第三是核電站儀控系統設備。AP1000儀控系統由西屋公司設計,主要設備分別由ABB公司和艾默生公司生產。雖然CAP1400儀控系統由我方設計,但是當時國內并沒有相應的儀控系統設備可供選用。而儀控系統設備不但在核島設備中價格占比大,而且可靠性要求高,只有少數國外供應商可以生產,也很容易受制于人。

為了解決制約CAP1400出口三大障礙,國家核電技術公司采取了三大措施。

一是組建核電軟件中心,開發具有自主知識產權的核電站設計分析核心軟件。這個決定一開始是很有爭議的。一方面核電軟件開發所需資金大、時間長,短期難見效,另一方面國家核電技術公司當時并無這方面的人才隊伍和機構,而且核級軟件由于使用者有限,很難為公司帶來經濟效益。但是缺乏自主核電軟件確是行業的切膚之痛,因此公司的決心得到了國家能源局和核電業界的支持。公司白手起家,組建了國內第一家專業的核電軟件開發中心,大膽創新機制,分別從上海交大、華北電大請來楊燕華老師、陳義學老師做核電軟件中心的主任、副主任并充分授權,將上海交大、西安交大和華北電大多位核電軟件方面的專家引入開發團隊,并在這些大學建立了核電軟件工作站。在核電軟件開發的很多決策中,從軟件的名字COSINE到具體方式、內容、組織模式,公司充分尊重了開發團隊的意見。同時,公司王炳華董事長每每在關鍵時刻為核電軟件團隊站臺,協調公司內部各種資源支持軟件的開發、驗證和應用。目前,COSINE軟件包已經進入工程試用階段。

二是開發核燃料組件及其所用的鋯材。核電站所用燃料組件開發難度大、技術復雜、開發周期長。在國家能源局和多個兄弟單位的支持下,核燃料組件開發團隊悉心策劃,用系統工程的方法周密部署各開發線路的工作,已經完成核燃料組件所用鋯合金材料配方確定,鋯合金鑄錠和管、板、帶工藝攻關,材料堆外試驗,材料堆內試驗,核燃料組件設計,燃料元件試制,燃料小組件和定型組件試制等多項任務,目前小組件已經具備入堆輻照條件,定型組件已經通過驗收。

三是開發核電站數字化儀控系統。核電站數字化儀控是核電站的神經系統,技術難度高、經濟附加值大。西屋公司對燃料組件和數字化儀控系統技術嚴格把控,設立了很多專利和技術障礙。壓水堆專項儀控攻關團隊先后完成了多樣化驅動系統、棒控棒位系統、輻射檢測系統、堆內核測系統、堆外核測系統、反應堆控制系統和反應堆保護系統的開發。尤其是在反應堆保護系統開發中,通過與美國洛克希德·馬丁公司合作,開發出具有自主知識產權的基于FPGA技術的核電站反應堆保護系統平臺,已經通過中美兩國核安全監管當局的認證,獲得進入全球核電市場許可。

AP1000特有的鋼制安全殼和全鍛造主管道,最初的方案是首堆由意大利安薩爾多完成研制并向中方供貨,然后將生產技術轉讓給中方。在供貨談判中意大利方面報出高價,中方決定開展自主研制,最后成功實現了首堆的供貨。原來引進技術消化吸收課題變成了中方自主研制課題。CAP1400蒸汽發生器最初沒想大改,但是現在完全重新研制。非能動安全殼整體試驗臺,最初的方案是自建鍋爐供應試驗蒸汽,現在是利用一個發電廠的蒸汽,但正是由于發電廠提供的試驗蒸汽保障,使這個臺架在世界上變得難于超越。

3　成績斐然,意義深遠

截至2017年12月底,壓水堆專項圍繞AP1000技術消化吸收、CAP1400研發、壓水堆重大共性技術與關鍵設備材料研制,共部署了114項重大課題,中央財政資金投入約94億元,引導社會資金投入數百億元。200多家企業、科研院所、高等院校的2萬余名科技人員參與了課題研究,形成國內外專項約3500余項、技術標準近1000項。

壓水堆專項的實施,有效填補了我國核電產業的空白領域,加強了薄弱環節,顯著提升了我國核電技術自主創新能力,推動我國核電從二代向三代的跨越式發展,帶動核電裝備制造水平進入世界先進行列。

打造了先進的核電研發設計體系,自主研發了先進核電設計軟件,建成了一批國際領先的非能動安全試驗設施。國內有關單位新建試驗臺10個、改造12個。開展了大量試驗,積累了海量試驗數據。完善了核電設備鑒定平臺和體系,建立了三代核電標準體系,提升了核電安全審評軟硬件實力,培養和鍛煉了一支掌握先進核電技術的人才隊伍。

提升了核電裝備自主設計與制造能力,全面掌握了屏蔽電機主泵、反應堆壓力容器、蒸汽發生器、數字化儀控系統、燃料組件、核級泵閥、大型汽輪發電機組等三代核電關鍵設備技術。實現了關鍵材料國產化,成功研制出超大型鍛件、690合金管、核級鋯材、核級焊材和核級電纜等。支持形成了一批具有世界先進水平的設備材料制造基地和由160余家企業組成的面向國內外的三代核電設備供應鏈體系,具備了批量制造核電設備的能力。

全面掌握了三代核電施工技術,構建了完整的核電建造技術體系和建造標準,突破了大體積混凝土一次性澆灌成型、模塊化施工、特殊部件自動焊接等關鍵技術,核島土建、安裝和施工管理技術達到世界先進水平,世界上最大的3800 t級履帶式大吊車已成功應用于工程施工。

壓水堆專項研發的CAP1400是目前世界上功率最大、安全等級最高的非能動型壓水堆核電站,具有較強的經濟競爭力和非常好的環境友好性。電功率150萬k W左右,設計壽命60年,電站可利用率大于93%。具備抵御類似福島海嘯、地震的能力,可避免氫氣燃燒引起的安全殼破裂;具備抗大型商用飛機惡意撞擊能力。CAP1400三廢排放達到國際最嚴格標準,放射性廢氣、廢液和廢固處理方法進一步優化,排放物濃度進一步下降。

CAP1400示范工程施工圖已經完成99.2%,開工前的各項工作已經全部就緒滿足開工后連續施工要求。

從壓水堆專項目前進展可以判斷:如不考慮CAP1400示范工程工期影響,壓水堆專項確定的各項攻關目標均將圓滿完成,相當多的目標超過原定要求,將給國家交上一份優質的答卷。