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南方能源觀察:等待FCD!| CAP1400是怎樣煉成的

發稿時間:2018年09月14日 通訊員: 來源:南方能源觀察 字體:【

山东十一选五遗漏走势图带连线 www.zohjw.icu        2007年,經過多輪談判后,中美正式簽訂三代核電AP1000技術轉讓和相關設備采購合同。2008年2月,國務院常務會議原則通過了《大型先進壓水堆核電站重大專項總體實施方案》,為16項國家重大科技專項之一。

  重大專項的總體目標是:在AP1000技術引進和自主化依托項目建設的基礎上,通過國產化AP1000自主設計,實現AP1000技術的消化、吸收,全面掌握以非能動安全為標志的第三代核電技術,并在此基礎上,進一步研究開發具有我國自主知識產權的大型先進壓水堆核電站技術,建成CAP1400示范工程,擁有一批高水平的知識產權成果,使我國核電設計、制造、建造和運行技術實現跨越式發展。

  然而,核電壓水堆重大專項的發展卻是曲折的過程。

  由于技術的代際升級,主設備研發困難巨大,自主化依托項目建設工期多次延誤,由此一系列針對AP1000技術安全性的輿論質疑甚囂塵上,甚至首堆首次裝料通過安全檢查后卻未如預期得到核準,工期再度耽誤8個月。在2011年福島核事故之后,內陸省份三個已開工的核電項目被暫停,而沿海的徐大堡一期、陸豐一期項目也未獲開工核準,國產化AP1000自主設計CAP1000未能投入工程應用。國產化AP1000核電機組的批量化建設被擱置。

  擁有自主知識產權的CAP1400在通過設計等評審后,示范工程于2014年底已具備開工條件,目前靜待核準。

  2018年6月30日,AP1000首堆三門核電1號機組首次并網一次成功,8月14日,機組首次達到100%滿功率運行。

  現實的數字擊碎了此前輿論對技術的一些質疑。但只有深入了解整個核電壓水堆重大專項這十余年的研發過程,我們才能真正明白技術的引進、消化、吸收再創新究竟是怎么一回事,才能作更客觀的評價。

  從1到N:CAP1400是怎樣煉成的

  ——我需要一個例子,證明中國已經具備大型核電自主設計制造的能力。

  ——CAP1400就是最好的例子,它是自主開發、自主設計、自主制造的。

  2018年8月14日,AP1000全球首堆、三門核電一號機組首次達到滿功率運行。在過去的十余年里,AP1000首堆是核電行業關注的重點,在其成功并網后,CAP1400示范工程成為新的焦點。

  2007年,經過多輪談判后,中美正式簽訂三代核電AP1000技術轉讓和相關設備采購合同。合同更明確,中國將在引進AP1000核電技術基礎上,通過改進、開發和自主創新,完全擁有輸出電功率大于135萬千瓦的大型先進非能動核電站的自主知識產權——這便是CAP1400。

  2008年2月,國務院常務會議原則通過了《大型先進壓水堆核電站重大專項總體實施方案》,核電重大專項為16項國家重大科技專項之一。核電重大專項分兩個部分,一個是高溫堆分項,另一個是壓水堆分項,以研發設計和建設CAP1400示范工程為主要成果。

  2013年3月4日,國家發改委批復同意CAP1400示范工程開展前期工作。2014年1月9日,CAP1400初步設計順利通過國家能源局組織的評審,標志著CAP1400的總體技術方案、技術指標和主要參數固化并得到國家認可。

  多家媒體報道,2014年底,位于山東榮成的CAP1400示范工程便已具備開工條件,即澆筑第一罐混凝土(FCD)。

  對行業而言,因其示范工程至今未開工,CAP1400看似是陌生的,但同時,在重大專項推進的這十年中,CAP1400早已滲入行業發展脈絡中,其設計、研發、制造等理念創新和實驗實踐,牽動著行業發展。

  自主知識產權的門檻

  “現在的CAP1400,是被倒逼出來的。”CAP1400總設計師、上海核工程研究設計院院長鄭明光告訴eo記者,國家核電技術公司是重大專項的實施主體,而上海核工程研究設計院,即728院,是技術總負責單位。

  2007年底,國家發改委組織專家評審,將毛功率1350MWe確定為CAP1400的基本參數,在此條件下,CAP1400的安全殼主直徑、主泵、蒸汽發生器等關鍵設備與AP1000設計區別并不大,設計上主要是修改反應堆功率。

  放低自我要求,源于當時中國核電設備制造水平現狀:2007年之前,中國沒有一家企業能制造出三代核電設備。盡管彼時國內企業能制造二代核電設備,但很多材料需要進口,更別提三代核電設備對材料使用壽命、放射性活化等的要求更高。按照當時的制造水平,主泵造不出來,甚至蒸汽發生器都成問題,能力直接“鎖死”目標。

  只是,自主知識產權并未如設想中那么輕易就能擁有。第一個不答應的便是西屋公司。

  2009年10月,在跟西屋公司的會談中,西屋公司表示當初約定的1350MWe為凈功率(即上網功率),而非毛功率。這意味著CAP1400的毛功率必須達到1500MWe,才能擁有自主知識產權。要達到這個目標,CAP1400就不再只是AP1000的小改動。

  CAP1400的型號設計需要從頭來過。

  明確需求后,728院設計隊伍需要先完成方案設計,即確認從反應堆內燃料組件到壓力容器再到二回路、蒸汽發生器等應采用怎樣的方案。確定方案設計后需進行概念設計,即確定整個核電站主要的系統配置,梳理所需關鍵技術。

  通過方案設計和概念設計,CAP1400的型號設計最終確定。其反應堆功率從原先設定的3730MWt提升到4040MWt。主關鍵設備的目標都變了:主管道橫截面增加30%、蒸汽發生器流通面積增加25%、換熱面積增加27%、核功率增加18.8%、安全殼直徑增加到43米。

  參數來源基于理論、經驗、計算和軟件工具,針對其中缺乏試驗支撐的創新,則需要在型號設計后做相應試驗進行論證。

  以蒸汽發生器為例,AP1000設計為10025根管子,CAP1400則為12606根。“憑什么是12606根管子?”鄭明光告訴eo記者,“所有的數據必須根據整個工況、效能、機組的功率,重新計算、重新分析、重新確定。”

  打造有競爭力的產業鏈

  CAP1400新型號設計出來后,緊跟著同樣重要的問題是:如何造出來?10025到12606,新增2000多根管子,相當于蒸汽發生器主管道面積增加了27%,所有布置都得重新安排。

  更重要的是,蒸汽發生器、壓力容器等對大型鍛件制造能力的要求非常高。業內人士介紹,上世紀末,世界上擁有大型鍛件制造能力的只有日本和法國,當時國內制造企業的合格率非常低。而鍛件只要一點不符合核安全法規要求,就成廢品,除了自身成本問題,還影響工程建設周期。

  不過,此時距離2007年已過去4年。在這4年間,隨著AP1000引進消化吸收,國內制造廠商的制造能力已有不小的進步,這為CAP1400關鍵主設備的設計帶來底氣,也為國產化制造打下重要基礎。

  2014年1月,“CAP1400蒸汽發生器研制”課題正式立項,此后3年,上海核工院與眾聯合單位開展了CAP1400蒸汽發生器群孔高效成型及檢測技術、關鍵焊接技術、制造缺陷診斷及評價技術等7大方面的研究。

  在重大專項壓水堆分項實施過程中,設計院所承擔的角色除了設計,還有設計牽引作用。“設計能力增強,制造能力跟我們迭代,共同進步。”

  核電重大專項壓水堆分項的實施方案通過國務院批準后,每年由重大專項管理方進行立項,確定需要開展的科研課題,由專家進行評審,主管部門、財政部門再進行平衡,最終確定哪些課題值得投入經費。

  重大專項壓水堆分項實施過程亦進行全面有效的規劃,其有意建立具有一定良性競爭態勢的核電產業鏈體系,關鍵主設備、部件攻關在選擇制造商時,均會選擇多家,以形成良性競爭。以鍛件為例,一重、二重、上重等都參與制造,而參與蒸汽發生器制造的裝備企業,則包括上海電氣、東方電氣、哈爾濱電氣等國內主要核電裝備制造商。

  “產業格局競爭體系的建立,能有效提高經濟性。有了競爭體系以后,人人都在追求技術發展,人人都要保證工期、保證質量,人人都要合理的價格。我們也希望制造業能夠盈利,但是大家應該公平競爭,都能得到科學、合理的發展。”鄭明光介紹了課題規劃的用心之處。

  過程中,CAP1400蒸汽發生器的主管道實現國產化。“二重造出來,六根主管道,零缺陷,價格是進口的四分之一。”

  2018年8月,由上海核工院,東方電氣(廣州)重型機器有限公司、上海電氣核電設備有限公司、中國第一重型機械股份公司、二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司、上海重型機器廠有限公司、國核運行等單位聯合實施的大型先進壓水堆重大專項“CAP1400蒸汽發生器研制”課題順利通過國家能源局組織的正式驗收。

  驗收專家組由中國機械工業聯合會、環保部核與輻射安全中心、國家核電專家委、清華大學、中國核電工程有限公司、哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司、蘇州熱工院等單位的17位專家組成。專家組一致認為課題組掌握了CAP1400蒸汽發生器的關鍵制造及設計技術,完成了任務合同書規定的各項研究內容,達到了任務合同書規定的目標和考核指標,為CAP1400蒸汽發生器的自主化和國產化打下了堅實的基礎。

  提升中國核電整體能力

  截至2017年8月,核電重大專項(含壓水堆分項和高溫氣冷堆分項)已立項課題179項,核定中央預算113.99億元。

  “為什么我們要讓每個企業都參與呢?就是為了提升整個國家的制造能力。”鄭明光告訴eo記者,“雖然說花了不少錢去做實驗,去做設備的研制,但獲益的是整個國家的工業能力,而不僅僅是CAP1400本身。”

  eo記者了解到,這些制造廠商通過參與核電重大專項,可以將其能力、設備運用在其他項目中,并不僅為CAP1400項目服務。

  這些參與重大專項的制造廠商,同時也服務于其他能源企業。

  此前,在一次公開采訪中,一名非國家電投的核電工程公司高管回憶道:“應該是在2008年之后,國內核電設備制造廠商的能力進步非???。”這也印證了核電重大專項對制造能力的影響。

  2017年8月31日,科技部和能源局組織召開了核電重大專項新聞發布會?;嶸?,核電重大專項管理實施辦公室負責人、國家能源局核電司副司長秦志軍介紹了項目所取得的具體成果。

  其中,核電裝備制造能力和水平大幅提升。壓力容器、蒸汽發生器、主管道等一大批重大設備實現了國產化,屏蔽電機主泵、數字儀控系統、爆破閥等核心設備均已完成樣機制造,高溫堆控制棒驅動機構、燃料裝卸料系統等已實現供貨。這些成果的取得,顯著地推動了裝備制造企業上臺階、上水平,使中國具備年產6到8臺套三代核電設備供貨能力,三代核電綜合國產化率從2008年依托項目的30%提高到85%以上。秦志軍表示,材料研制實現了基礎性突破。超大型鍛件、690合金管、壓力容器密封件、核級鋯材等關鍵材料加工制造技術取得質的突破;高溫堆燃料元件已實現產業化生產;核級焊材研制成功,改變了我國核電焊接材料長期依賴進口的局面;建成了首條從海綿鋯到成品管、板、棒、帶材的完整生產線,為CAP1400和華龍一號的自主化燃料研發提供了有力支撐。

  在材料、設備的研制之外,對核電產業而言,重大專項另一突破是關鍵試驗的推進。

  核電重大專項支持設立了六大基礎類重大驗證課題,用以支撐論證三代非能動核電關鍵系統運行及重要設備性能的機理研究,包括非能動堆芯冷卻系統、非能動安全殼冷卻系統、堆芯熔融物堆內滯留、反應堆結構水力模擬、堆內構件流致震動、蒸汽發生器關鍵部件等13項試驗。

  “這里所說的試驗,是系統試驗。所謂系統,就是很多設備跟零部件構成之后所起的共同作用,系統比設備更復雜。比如非能動堆芯冷卻系統,由閥門、管道、水箱等組合起來,我們需要通過試驗來驗證系統的可靠性,能不能達到預期效果。”一名參與關鍵試驗的科研人員介紹。

  與制造廠商參與課題形式類似,關鍵試驗亦是“集大成者”。參與關鍵試驗的單位為國內相關高校、實驗室、研究機構,相關課題亦委托給國家電投、中核集團、中廣核集團等企業的研究單位。

  “這些試驗做下來,我個人覺得我們的能力提升很大,一些局部方面甚至超出了美國西屋公司的水平。”上述科研人員告訴eo記者。

  2018年6月,“CAP1400非能動安全殼冷卻系統性能研究及試驗”課題順利通過正式驗收,標志著CAP1400六大關鍵試驗課題全面通過驗收。

  在方案設計、試驗驗證之外,國內核電安全審評能力也隨著核電重大專項推進而得到提升。安全審評的主要執行部門是國家核安全局,而安全審評要做到獨立評審,則要求核安全監管部門全面掌握法規要求。大量試驗驗證和運行效能的相關試驗,完善了核安全局的試驗分析能力,使其對系統設計中安全設計理念體現、準偏差項判斷等方面都有了提升。

  “國家的核安全審評從原來老型號審查到現在新型號主要審查偏差項,可以說發生了根本性變化。現在核安全局的安全審評能力比原來高多了。”熟悉核安全的專家告訴eo記者。

  創新的集成

  鄭明光坦承,如果按照一開始毛功率1350MWe做設計,那一版本的CAP1400經濟性比AP1000好點,但安全性參數肯定不如AP1000,而如今版本的安全性更優。

  以安全殼為例,西屋在設計AP1000時裕量為2%,而CAP1400裕量大于10%,這增強了核電抗大飛機撞擊的能力。根據國家核安全局要求,CAP1400在縱深防御上提升了抗震能力,進一步增強安全裕量。

  同時,CAP1400還將嚴重事故融入到型號設計中。國家核安全監管部門領導曾在行業會議上分享了一個故事。巴基斯坦核電從業者曾對大亞灣核電站非常感興趣,一個原因在于他們覺得恰希瑪核電站是中國人設計的,應該不如法國的先進。但在實地考察和閱讀相關文件后,巴方發現恰希瑪的安全設置更為完善。

  鄭明光在接受eo記者采訪時也介紹了恰希瑪的情況:“為什么我們研發CAP1400時能很快把嚴重事故的概念融入到位呢?主要是因為做了恰希瑪。從秦山比較分散的布置到恰希瑪比較緊湊的布置,到恰希瑪二期就考慮了事故應急,是非常大的變化,是不斷追求技術進步的結果。”

  經濟性上,CAP1400的電功率提升了將近20萬千瓦以上。功率提升,意味著機組發電能力增強。國產化體系的建立也為CAP1400的經濟性打下基礎。由于技轉目標高,CAP1400的鍛件焊縫也比AP1000的少,這減少了檢查頻率和放射性,提高了經濟性。未來隨著批量化建設所帶來成熟度提升,CAP1400項目建設工期、風險、不確定度均會降低,經濟性將進一步提升。

  “我們一直在說引進消化吸收創新,其實最好的驗證,就是看你能不能拿出一個自己的東西來。CAP1400能做出來,能通過審查、驗證,說明真學會了。”一名非國家電投的核電企業技術研究院高管這么理解。

  在鄭明光看來, CAP1400跟AP1000既有聯系又沒有聯系。“CAP1400是完全自主創新的型號,盡管理念上吸納了AP1000的設計,但我們完全是獨立自主開發的,所有的驗證都是自己驗證的,所有的設備開發都是自己研制的,某種程度來講也是自主創新科技成果綜合性的集成。”

  “西屋公司是非能動的原創,是0到1,我們是1到N。從原創性來講,他們更多,特別AP600是原創。600到1000變化不算很大,1000到1400,變化很大。效率、經濟性、國產化程度都提升了。”鄭明光介紹,“CAP1400未來造價比AP1000低,國產化程度要高。將來走出去的話,各方面不會有太多障礙。”

  2017年6月23日,環境?;げ扛輩砍?、國家核安全局局長劉華到728院調研指導工作,高度肯定了重大專項實施十年取得的成果。劉華指出,國家核安全局對于CAP1400的審查,是我國核電發展史上范圍最廣和程度最深的一次,國家核安全局對CAP系列核電技術充滿信心,支持示范工程和后續項目開工建設。

(本文轉載自集團公司官網)