全球首臺AP1000機組帶核運行

季天也

4月29日，我國首臺搭載第三代核電技術APIOOO的浙江三門核電廠1號機組，完成了157組全新燃料組件的裝載。這標志著歷經9年，我國三代核電自主化依托項目APIOOO獲得各方認可，全球首臺APIOOO核電機組終于進人帶核調試運行階段。同樣搭載APIOOO機組的山東海陽核電廠一期工程（1號、2號機組）也完成了裝料前的準備工作。APIOOO機組作為第三代核電技術，其先進之處體現在哪些地方？其安全性對比以前的核電技術有哪些質的提升？前不久《環境與生活》雜志記者采訪了三門核電廠和海陽核電廠，對這項技水做了一番了解。

四“桶”水確保反應堆冷卻

《環境與生活》雜志記者年初曾到訪浙江三門核電廠和山東海陽核電廠，這兩座核電廠各自規劃建設6臺百萬千瓦級核電機組，其中一期工程各有兩臺機組（即1號、2號機組）采用美國西屋公司研發的第三代核電技術AP1000。它們是中國自主核電技術AP1000三代核電技術引進消化吸收的標志性項目，承擔中國核電自主化的重任。兩座核電站在上世紀80年代我國民用核電發展的起步階段，就被確定為優選廠址。

第三代核電技術AP1000的發電原理、基本格局，與目前成熟的第二代壓水堆核電廠其實是一個套路，即利用核燃料的能量“燒水發電”：核電廠有兩套獨立的冷卻水循環回路，核燃料在反應堆內觸發核裂變鏈式反應，產生大量熱能，把一回路的水“燒”到高溫高壓狀態，在主泵的驅動下進入蒸汽發生器中的U型管，通過管壁傳熱，把二回路的冷水加熱成蒸汽。這樣一回路水就變涼了，被主泵送回反應堆再次加熱，開始下一次循環；二回路的蒸汽則推動汽輪機與發電機旋轉，產生電能。一回路設備和部件所在的廠房叫核島，二回路所在廠房叫常規島。

既然發電套路都差不多，作為新一代核電技術的AP1000究竟好在哪兒呢？第三代核電技術相比第二代的重要革新，就是預防和緩解嚴重事故的能力大大加強。核燃料特殊之處在于反應堆即使停止運行，它也不能像其他燃料一樣熄火后就漸漸冷卻。核燃料中放射性物質的衰變，足以讓反應堆在很長一段時間內“不忘初心”地持續發揮余熱，叫做“衰變熱”。假如發生全廠斷電情況，燃料棒和冷卻水就無法循環換熱，此時的反應堆壓力容器就好比一口裝著水持續加熱又不開閥泄氣的高壓鍋。

為避免堆芯因不斷升溫而熔毀，繼而引發核事故，AP1000機組設計了4套應急水源裝置來確保反應堆的冷卻，分別是兩個容積均為70 8立方米的堆芯補水箱，用于較長時間內向堆芯注入較大的水流量；兩個容積均為56.6立方米的安全注射箱，用于在幾分鐘內為堆芯快速、大量注水；一個容積為2092立方米的內置換料水箱，用于細水長流地冷卻堆芯；兩個位于核島廠房頂部的安全殼冷卻水箱，總容積近2900噸，用來噴淋下方的鋼制安全殼（類似鍋蓋），從而為殼內降溫減壓。

事故應急3天不用人

記者在參觀時了解到，除安全殼冷卻水箱外，其他3套水源均含有不同濃度的硼元素，可吸收中子降低核反應速度。這4處冷卻水源的位置都比它們要冷卻的部位高，而且整套安全系統不靠電力或其他外界能源驅動，完全利用重力和壓力差等天然物理規律實現自動補水，在事故后的72小時內，不需要任何人為干預就能確保反應堆和整座核電廠的安全，所以叫“非能動安全系統”，這一點至關重要。

西屋公司對AP1000的設計理念主張“做減法”。雖然現役的第二代或第二代改進型機組也可以實現同樣的安全功能，但只能走“加法”路線：一套安全系統不夠就再加第二套，還不夠再加第三套。當然，加上去的仍然是能動的安全系統，需要有電或者其他能源維持它的功能。

在參觀兩座核電廠的過程中，記者了解到，AP1000的閥門、泵、管道和電纜這4類構件的總量，比第二代或第二代改進型機組分別減少了50%、36%、83%和70%，可以有效減少設備的損壞率和故障率，對于縮短核電廠建設周期、減少維修項目和確保長期可靠性都是有利的。

極端事故也要保證主控室

記者還參觀了三門核電廠的模擬主控室和海陽核電廠1號機組的主控室。主控室是核電機組的“最強大腦”，核電站運行操作的每一個指令都是從主控室里發出，決定著核電機組的每一個零部件運行狀態。

主控室位于核島廠房內。和參觀核電廠主廠區其他地方一樣，記者要在參觀申請得到許可后，經過一系列安檢，并由工作人員陪同、授權后才能進去。

主控室內的工作臺上擺著一排電腦，十幾塊大屏幕高掛在墻上，顯示著各種復雜的數據、圖表和符號。進門需要套上鞋套，并且禁止拍照。核電廠操縱員就是在這里確保核電廠穩定運行和應急安全的。操縱員被譽為管理主控室這個“最強大腦的黃金人”。

走訪中，記者了解到，截至2017年12月，三門核電廠培養了73名操縱員（取得RO執照才可當操縱員），40名高級操縱員（取得SRO執照），滿足1號機組裝料和后續啟動工作的需要。海陽核電廠共有167名操縱員，其中42人為高級操縱員，另有7人正在申請操縱員執照。一個應屆本科畢業生從參加工作開始，需要長達8～10年的不斷學習和培訓才能考取RO執照。

除了利用電腦操作，主控室的操作臺上還設置了各種實體按鈕和開關，有安全級的，有非安全級的。萬一軟件操作出現故障，還有物理按鈕能控制，有保障，體現了核安全機制的多樣性和縱深防御原則。假如不幸發生事故，核電操縱員“必須堅守在主控室，就像一艘船的船長”。

為了確保在事故狀態下主控室的環境還能允許操縱員正常工作，核電廠有一套“主控室應急可居留系統”，包括水、食物、壓縮空氣儲存罐、非能動熱阱（熱阱即排除余熱的場所）。這套系統可以確保在72小時內，在11個人（即操縱員）值守的主控室里，溫度升高不超過8.3攝氏度，二氧化碳濃度不超過0.5%。

壽命提升50%與國際標準同步

不少人還有這樣的疑慮：AP1000作為新一代核電技術，目前還沒有經過商業運行考驗，到底靠不靠譜？記者在參觀時與兩座核電廠的技術人員交流，了解到，AP1000的蒸汽發生器、穩壓器、汽輪機、燃料組件、反應堆壓力容器等等，在原來的電站中已經反復用了幾十年了，相關參數變化不大，用的完全是經過長期驗證的成熟技術。“創新”除了最主要的非能動安全系統，還用到了爆破閥，以及主泵的類型從軸封泵改為屏蔽泵。這兩種設備，在研制過程中同樣經過了大量的實驗，考慮了它們在未來60年運行過程中可能遇到的各種工況，已經充分驗證了它們的可靠性。

引進AP1000是一個系統性的工程，不僅僅是建了4臺機組，還有我國對這項技術的引進、消化、吸收和再創新的過程。AP1000作為第三代核電技術有一些重要特征，比如60年的壽期，原來的技術都是40年，從40年到60年是一個跨越。對它的引進和再創新，可以幫助國內企業熟悉并掌握美國“阿斯米”（ASME，美國機械工程師協會）標準，克服過去對這套規范的理解障礙。第三，在這些關鍵設備的背后，其實是我國重型裝備制造業提供的一系列支撐，有些設備代表著我國基礎工業的制造水平。

依托這幾臺機組的建設以及我國對AP1000的消化吸收過程，幾個問題得到了解決。第一，我國實現了從二代設備到三代設備的“制造能力”跨越，建立了每年6～8臺套的設備供應能力，而且不只是一家單位有這個能力。目前沒有哪個國家能做到這點，只有中國能做到，這是引進AP1000的一個功勞。

首批4臺AP1000機組中，三門—號機組——第一臺AP1000國產化率是31.1%，海陽一號機組是44.4%，三門二號機組是71.8%，海陽二號機組是72%，平均是55%。

第二，就是幫國內企業熟悉掌握了美國的阿斯米（ASME）標準（詳見本文《環境百科》）。我國建立了阿斯米標準中國工作組，推動阿斯米標準融入我國相應的標準體系里，時我國在核電方面的標準與世界接軌、同步，意味著國產設備出口到別的國家，用中國的標準未必被接受，但如果滿足阿斯米標準他們就容易接受。

模塊化建造省時間

第三，我國核電行業做了大量研究工作，大大促進了基礎工業的提升。相比以前的技術，第三代核電技術的生產工藝和制造方法也在變。據了解，在AP1000機組上，焊的東西少了，拿螺絲擰的東西少了，卷板、鑄造的東西少了，原來有接頭的地方現在沒了。許多主設備的加工工藝正在用鍛造逐步取代鑄造。鑄造工藝是一種金屬熱加工工藝，就是把高溫的液態金屬澆鑄到模子中，待其冷卻凝固成型。澆鑄過程中可能會留有孔隙或者氣泡，可能成為小隱患。而鍛造工藝能優化微觀組織結構，讓材料更致密，避免這種缺陷。因為沒有了焊縫、鑄態疏松問題，同樣材料的鍛造件，強度、疲勞特性（影響使用壽命）等機械性能都明顯優于鑄造件和焊接件。

AP1000的另一個亮點是“模塊化建造”：大量的生產和制造工作在工廠里完成，再運到現場像搭積木一樣拼裝起來，實現土建和安裝同步進行。模塊化建造有幾大好處。

比如，大大降低了核電項目的施工難度，減少了現場施工人數，相比建設二代核電廠縮短了建設周期，有專家預計甚至可縮短近一半工期。另外，通用零件批量生產，有助于降低工程造價。此外，工廠車間的作業條件比現場施工優越得多，產品的質量和耐用性會因此提升而且更可控。還有，事后運行和維修的工作量會大幅減少，維修成本下降。