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(zhuǎn)眼已是整整十年。回顧十年的歷程,由國家核電技術(shù)公司牽頭的壓水堆專項攻關(guān)實施團隊根據(jù) 《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(guān),推動了第三代核電技術(shù)在中國的落地生根,使中國在第三代核電技術(shù)應用上走在了世界前列,而且?guī)恿宋覈叨搜b備制造企業(yè)的成長,推動了中國制造向中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變。通過十年的不懈努力,壓水堆專項形成了數(shù)千項專利和技術(shù)秘密,取得了數(shù)百項重大技術(shù)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(chǎn)權(quán)的大型非能動安全CAP1400核電站已經(jīng)完成了設(shè)計,大量關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)研制完畢,具備開工建設(shè)條件。

1　圍繞國家戰(zhàn)略、務實確立目標

2006年,中央決定引進美國AP1000核電技術(shù),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(xiàn)我國三代核電技術(shù)的自主化。根據(jù)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(shù),包括設(shè)計、建造、運行技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計、制造技術(shù),核燃料組件和核級鋯材制造技術(shù)。二是完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAP1400核電站開發(fā),并建成示范工程。三是開展1700 WM級大型非能動先進核電關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。四是開展壓水堆重大共性技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備與材料攻關(guān),提高核電產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)能力。其中,CAP1400開發(fā)是壓水堆專項的核心任務。CAP1400核電站的設(shè)計水平,檢驗我們對AP1000技術(shù)的理解和掌握程度,以及對核電技術(shù)創(chuàng)新的能力。CAP1400設(shè)備的研制,也將檢驗我們在核電關(guān)鍵設(shè)備、材料設(shè)計和制造技術(shù)方面的能力。關(guān)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(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán),二是安全性和經(jīng)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(fā)目標時,受到當時國內(nèi)核電設(shè)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(shè)計論證時,國內(nèi)大型屏蔽電機泵的設(shè)計制造經(jīng)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(huán)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(chǎn)權(quán),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(jīng)是當時世界上最大的屏蔽電機了,設(shè)計制造更大的屏蔽電機難度非常大。CAP1400設(shè)計團隊既希望為CAP1400選擇一款較為理想的主泵,又要考慮設(shè)備設(shè)計制造的可行性。要是主泵造不出來,再好的CAP1400設(shè)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(shù)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(shù)專家考慮國內(nèi)制造業(yè)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(shè)計團隊暫不修改主泵電機頻率,留待CAP1400后續(xù)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(shè)計,主泵電機保持60 Hz不變,通過降低主泵揚程,實現(xiàn)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(chǎn)權(quán)這樣一個合同約定的基本條件,但是反應堆的參數(shù)顯然不是最優(yōu)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(shè)計人員不斷優(yōu)化CAP1400方案,同時越來越感覺主泵成為制約CAP1400性能優(yōu)化的重大障礙。尤其是隨著中方對AP1000技術(shù)的消化吸收,技術(shù)信心不斷增強,其他制約CAP1400總體參數(shù)優(yōu)化的因素不斷被克服,主泵電機不改已經(jīng)不能滿足CAP1400的需要了。在這個過程中,哈電和沈鼓等主泵設(shè)計制造企業(yè)對外方轉(zhuǎn)讓的主泵設(shè)計,制造技術(shù)的掌握也越來越深入。尤其是中方主泵設(shè)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(fā)現(xiàn)問題和解決問題,中方對大型屏蔽電機泵的設(shè)計、制造也越來越有信心,具備了為CAP1400重新設(shè)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(shù)不斷優(yōu)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(shù)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%。現(xiàn)在,CAP1400主泵工程樣機已經(jīng)造出來,通過第一階段的試驗,表明其流量、揚程、效率、惰轉(zhuǎn)等關(guān)鍵指標達到設(shè)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(jù)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(jié)果,就是CAP1400的總體性能指標遠遠高于最初的設(shè)想,設(shè)備自主化的程度也遠遠高于原定的設(shè)想。

壓水堆專項實施伊始,就為CAP1400制訂了明確的自主知識產(chǎn)權(quán)目標。但是擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)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(guān)鍵環(huán)節(jié)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(fā)展需求,CAP1400首先應滿足國內(nèi)核電發(fā)展的需要,在國內(nèi)建設(shè)的數(shù)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(nèi)發(fā)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(lián)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(tǒng)地考慮起CAP1400走出去問題。經(jīng)認真分析后,認識到在壓水堆專項原定的攻關(guān)任務實現(xiàn)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(fā)自主化的核電設(shè)計分析軟件。原定的任務專注于CAP1400的開發(fā),開發(fā)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(jīng)將當時最先進的Perf or mance燃料組件加工制造技術(shù)和相應的核級鋯材技術(shù)許可給我們在國內(nèi)使用,完全能滿足CAP1400在國內(nèi)建設(shè)運行的需要。但是如果出口CAP1400,沒有自主知識產(chǎn)權(quán)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(tǒng)設(shè)備。AP1000儀控系統(tǒng)由西屋公司設(shè)計,主要設(shè)備分別由ABB公司和艾默生公司生產(chǎn)。雖然CAP1400儀控系統(tǒng)由我方設(shè)計,但是當時國內(nèi)并沒有相應的儀控系統(tǒng)設(shè)備可供選用。而儀控系統(tǒng)設(shè)備不但在核島設(shè)備中價格占比大,而且可靠性要求高,只有少數(shù)國外供應商可以生產(chǎn),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(shù)公司采取了三大措施。

一是組建核電軟件中心,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電站設(shè)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(fā)所需資金大、時間長,短期難見效,另一方面國家核電技術(shù)公司當時并無這方面的人才隊伍和機構(gòu),而且核級軟件由于使用者有限,很難為公司帶來經(jīng)濟效益。但是缺乏自主核電軟件確是行業(yè)的切膚之痛,因此公司的決心得到了國家能源局和核電業(yè)界的支持。公司白手起家,組建了國內(nèi)第一家專業(yè)的核電軟件開發(fā)中心,大膽創(chuàng)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(quán),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(fā)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(fā)的很多決策中,從軟件的名字COSINE到具體方式、內(nèi)容、組織模式,公司充分尊重了開發(fā)團隊的意見。同時,公司王炳華董事長每每在關(guān)鍵時刻為核電軟件團隊站臺,協(xié)調(diào)公司內(nèi)部各種資源支持軟件的開發(fā)、驗證和應用。目前,COSINE軟件包已經(jīng)進入工程試用階段。

二是開發(fā)核燃料組件及其所用的鋯材。核電站所用燃料組件開發(fā)難度大、技術(shù)復雜、開發(fā)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(fā)團隊悉心策劃,用系統(tǒng)工程的方法周密部署各開發(fā)線路的工作,已經(jīng)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(guān),材料堆外試驗,材料堆內(nèi)試驗,核燃料組件設(shè)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(jīng)具備入堆輻照條件,定型組件已經(jīng)通過驗收。

三是開發(fā)核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)。核電站數(shù)字化儀控是核電站的神經(jīng)系統(tǒng),技術(shù)難度高、經(jīng)濟附加值大。西屋公司對燃料組件和數(shù)字化儀控系統(tǒng)技術(shù)嚴格把控,設(shè)立了很多專利和技術(shù)障礙。壓水堆專項儀控攻關(guān)團隊先后完成了多樣化驅(qū)動系統(tǒng)、棒控棒位系統(tǒng)、輻射檢測系統(tǒng)、堆內(nèi)核測系統(tǒng)、堆外核測系統(tǒng)、反應堆控制系統(tǒng)和反應堆保護系統(tǒng)的開發(fā)。尤其是在反應堆保護系統(tǒng)開發(fā)中,通過與美國洛克希德·馬丁公司合作,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于FPGA技術(shù)的核電站反應堆保護系統(tǒng)平臺,已經(jīng)通過中美兩國核安全監(jiān)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(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給中方。在供貨談判中意大利方面報出高價,中方?jīng)Q定開展自主研制,最后成功實現(xiàn)了首堆的供貨。原來引進技術(shù)消化吸收課題變成了中方自主研制課題。CAP1400蒸汽發(fā)生器最初沒想大改,但是現(xiàn)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(xiàn)在是利用一個發(fā)電廠的蒸汽,但正是由于發(fā)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(shù)消化吸收、CAP1400研發(fā)、壓水堆重大共性技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)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(shù)百億元。200多家企業(yè)、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(nèi)外專項約3500余項、技術(shù)標準近1000項。

壓水堆專項的實施,有效填補了我國核電產(chǎn)業(yè)的空白領(lǐng)域,加強了薄弱環(huán)節(jié),顯著提升了我國核電技術(shù)自主創(chuàng)新能力,推動我國核電從二代向三代的跨越式發(fā)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(fā)設(shè)計體系,自主研發(fā)了先進核電設(shè)計軟件,建成了一批國際領(lǐng)先的非能動安全試驗設(shè)施。國內(nèi)有關(guān)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(shù)據(jù)。完善了核電設(shè)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(yǎng)和鍛煉了一支掌握先進核電技術(shù)的人才隊伍。

提升了核電裝備自主設(shè)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(fā)生器、數(shù)字化儀控系統(tǒng)、燃料組件、核級泵閥、大型汽輪發(fā)電機組等三代核電關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)。實現(xiàn)了關(guān)鍵材料國產(chǎn)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(shè)備材料制造基地和由160余家企業(yè)組成的面向國內(nèi)外的三代核電設(shè)備供應鏈體系,具備了批量制造核電設(shè)備的能力。

全面掌握了三代核電施工技術(shù),構(gòu)建了完整的核電建造技術(shù)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(guān)鍵技術(shù),核島土建、安裝和施工管理技術(shù)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(fā)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(jīng)濟競爭力和非常好的環(huán)境友好性。電功率150萬k W左右,設(shè)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(yōu)化,排放物濃度進一步下降。

CAP1400示范工程施工圖已經(jīng)完成99.2%,開工前的各項工作已經(jīng)全部就緒滿足開工后連續(xù)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(guān)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(yōu)質(zhì)的答卷。