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(chǎn)化是自主的設(shè)計過程，自主創(chuàng)新則每個階段都是攻堅戰(zhàn)

2016年12月29日,由上海核工程研究設(shè)計院自主設(shè)計并主持研發(fā)的CAP1400燃料定型組件在包頭順利下線,標(biāo)志著國內(nèi)自主化高性能燃料研發(fā)領(lǐng)域取得突破性進展。此前,由上海核工程研究設(shè)計院牽頭,上海電氣下屬企業(yè)上核、一機床等單位聯(lián)合承擔(dān)的壓水堆重大專項CAP1400核島重大設(shè)備設(shè)計技術(shù)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(shù)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(shù)的基礎(chǔ)上,通過再創(chuàng)新開發(fā)出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)、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(shù)公司和中國華能集團公司共同出資設(shè)立的國核示范電站有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)建設(shè)管理和建成后的商業(yè)運營,位于山東威海市榮成石島灣廠址,擬建設(shè)2臺CAP1400型壓水堆核電機組,設(shè)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(yè)單位20000多人經(jīng)過7年多努力最終成功研發(fā),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(yīng)堆及所有主設(shè)備都進行了全新的設(shè)計?！胺磻?yīng)堆、主設(shè)備、安全系統(tǒng)都經(jīng)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(zāi)害的能力。各方面新突破不少?！?/p>

據(jù)悉,CAP1400燃料組件是國內(nèi)基于世界先進堆芯和燃料運行與安全技術(shù)要求開發(fā)的,整體研發(fā)工作分為原型組件、定型組件和先導(dǎo)組件三個階段,最終目標(biāo)為實現(xiàn)自主化燃料的堆內(nèi)輻照考驗及商業(yè)應(yīng)用。CAP1400燃料定型組件作為第二階段工作的標(biāo)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(dǎo)組件的研發(fā)工作以及CAP1400燃料組件的最終商業(yè)應(yīng)用奠定了扎實基礎(chǔ)。

CAP1400核島重大設(shè)備設(shè)計技術(shù)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(yīng)堆壓力容器和一體化堆頂組件、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、環(huán)行吊車與燃料裝卸和貯存系統(tǒng)及設(shè)備,以及核電泵、閥和特殊設(shè)備等的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)。該課題通過驗收,表明中國已完成CAP1400核島重大設(shè)備自主設(shè)計以及主泵總體設(shè)計,系統(tǒng)地實現(xiàn)了核島設(shè)備設(shè)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(shè)備、關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化水平。不僅支撐自主知識產(chǎn)權(quán)CAP1400核電技術(shù)的安全性和可靠性,增強國內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)的裝備制造和技術(shù)能力,也為示范工程開工建設(shè)和CAP1400‘走出去’奠定堅實基礎(chǔ)?！毕拇荷瓯硎?。

中國“心”

CAP1400核電是名符其實的中國“心”。

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

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

“國產(chǎn)化絕不是簡單地把圖紙、文件翻譯成中文就行了,國產(chǎn)化是自主的設(shè)計過程,而自主創(chuàng)新則每個階段都是攻堅戰(zhàn)?！?CAP1400研發(fā)工作主要技術(shù)責(zé)任單位——上海核工程研究設(shè)計院院長、CAP1400總設(shè)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(dāng)時國家核安全局對CAP1400所進行的審評深度和范圍極其嚴(yán)格,來自業(yè)內(nèi)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(nèi),針對5000多個問題進行了多次對話?！?/p>

安全評審期間,鄭明光帶領(lǐng)一批經(jīng)驗豐富的研發(fā)設(shè)計人員,對這5000多個問題進行逐一回答和澄清。最終,從傳統(tǒng)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(tǒng)、非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的組合設(shè)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(dǎo)出,事故發(fā)生72小時內(nèi)無需人工干預(yù),72小時后具備補給能力,安全性比二代核電提高兩個量級?！编嵜鞴庹f。

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

制造能力

“CAP1400的研發(fā),是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的16個國家科技重大專項之一?！毕拇荷旮嬖V《上海國資》,在CAP1400自主研發(fā)設(shè)計上,上海核工院和上海電氣、上海交通大學(xué)等產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,基本完成了CAP1400關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)研究。在設(shè)備制造上,上海有比較優(yōu)勢。

核島主設(shè)備包括壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、主泵及大型鑄鍛件。對CAP1400而言,最具有挑戰(zhàn)性的核島主設(shè)備主要為主泵、爆破閥和數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

“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(xiàn)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(shù)公司對CAP1400關(guān)鍵設(shè)備安排了2—3家企業(yè)進行培育,“兩手準(zhǔn)備”。

A P 1 0 0 0的主泵為屏蔽式主泵,CAP1400則除了在此技術(shù)基礎(chǔ)上自主化研發(fā)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(shù)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(shè)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(dāng)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(shù),加上相關(guān)實驗驗證極為嚴(yán)格,目前看來會獲得更多認(rèn)可?！?夏春申透露。他表示,在設(shè)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(shè)備制造上“能力大增”。

上海電氣是國內(nèi)首個實現(xiàn)百萬千瓦級核電站核島主設(shè)備的成套供應(yīng)商,核島主設(shè)備地國內(nèi)市場占有率達到43%,其中堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)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(xù)提升。