大型先进压水堆核电站重大专项十年回顾

范霁红

(国家电力投资集团公司,北京 100033)

大型先进压水堆核电站国家科技重大专项(以下简称压水堆专项)在2008年2月通过国务院常务会议的审查后正式启动,转眼已是整整十年。回顾十年的历程,由国家核电技术公司牵头的压水堆专项攻关实施团队根据 《大型先进压水堆核电站重大专项总体实施方案》确定的目标,克服了重重难关,推动了第三代核电技术在中国的落地生根,使中国在第三代核电技术应用上走在了世界前列,而且带动了我国高端装备制造企业的成长,推动了中国制造向中国创造的转变。通过十年的不懈努力,压水堆专项形成了数千项专利和技术秘密,取得了数百项重大技术突破,一大批新材料新工艺得到应用。AP1000中国版具备批量化建造条件,具有自主知识产权的大型非能动安全CAP1400核电站已经完成了设计,大量关键设备已经研制完毕,具备开工建设条件。

1　围绕国家战略、务实确立目标

2006年,中央决定引进美国AP1000核电技术,并通过实施大型先进压水堆核电站国家科技重大专项,高起点实现我国三代核电技术的自主化。根据国家科技重大专项管理要求,当时给压水堆专项确立的目标,一是消化吸收AP1000核电技术,包括设计、建造、运行技术和关键设备设计、制造技术,核燃料组件和核级锆材制造技术。二是完成具有自主知识产权的CAP1400核电站开发,并建成示范工程。三是开展1700 WM级大型非能动先进核电关键技术攻关。四是开展压水堆重大共性技术和关键设备与材料攻关,提高核电产业整体技术能力。其中,CAP1400开发是压水堆专项的核心任务。CAP1400核电站的设计水平,检验我们对AP1000技术的理解和掌握程度,以及对核电技术创新的能力。CAP1400设备的研制,也将检验我们在核电关键设备、材料设计和制造技术方面的能力。关于CAP1400的具体指标,可以高一点也可以低一点,但核心的三点必须达到:一是实现自主知识产权,二是安全性和经济性不低于AP1000,三是进度在2020年左右完成。在围绕这样的顶层要求论证CAP1400的具体开发目标时,受到当时国内核电设计和装备制造能力的很多制约。在2007年 《实施方案报告》论证时,甚至在2008年CAP1400概念设计论证时,国内大型屏蔽电机泵的设计制造经验还很缺乏,当时AP1000的屏蔽电机主泵也没有完成制造,因此确定CAP1400的主泵方案成为一个难题。一方面,由于CAP1400与AP1000都是两环路核电站,而CAP1400功率必须比AP1000增加10%以上才能获得自主知识产权,要求CAP1400主泵的流量必须相应增加。另一方面,AP1000的主泵屏蔽电机已经是当时世界上最大的屏蔽电机了,设计制造更大的屏蔽电机难度非常大。CAP1400设计团队既希望为CAP1400选择一款较为理想的主泵,又要考虑设备设计制造的可行性。要是主泵造不出来,再好的CAP1400设计也只是纸上谈兵。当时没有人能保证为CAP1400研制一款更大功率的屏蔽电机。AP1000的主泵电机频率是60 Hz,使用时要求变频器长期工作,有的专家提出CAP1400主泵应该将AP1000的60 Hz屏蔽电机改为适合中国的50 Hz屏蔽电机。大多数专家的想法是既想改,又怕因为改不成影响了CAP1400的整体进展,为此专家们进行了激烈的争论,最后大多数专家考虑国内制造业的能力,考虑到CAP1400作为一个重大标志性成果及时交付的重要性,都支持了设计团队暂不修改主泵电机频率,留待CAP1400后续机组再将主泵电机频率从60 Hz修改为50 Hz的考虑。最后国家能源局批准的CAP1400概念设计,主泵电机保持60 Hz不变,通过降低主泵扬程,实现增加流量以满足CAP1400堆芯流量增大的需求。这样一个方案,虽然使CAP1400机组毛功率超过1400 MW,满足中方获得自主知识产权这样一个合同约定的基本条件,但是反应堆的参数显然不是最优的。但在当时,是一个切实可行的决策。

2　砥砺前行中不断超越

在压水堆专项实施过程中,设计人员不断优化CAP1400方案,同时越来越感觉主泵成为制约CAP1400性能优化的重大障碍。尤其是随着中方对AP1000技术的消化吸收,技术信心不断增强,其他制约CAP1400总体参数优化的因素不断被克服,主泵电机不改已经不能满足CAP1400的需要了。在这个过程中,哈电和沈鼓等主泵设计制造企业对外方转让的主泵设计,制造技术的掌握也越来越深入。尤其是中方主泵设计和制造团队全程参与了AP1000主泵工程试验和耐久性试验,在过程中与外方一起不断发现问题和解决问题,中方对大型屏蔽电机泵的设计、制造也越来越有信心,具备了为CAP1400重新设计主泵的能力。为CAP1400量身打造一款主泵成为团队的新共识,在这个过程中,CAP1400的参数不断优化,对主泵的要求也不断的变化,始终保持了与CAP1400反应堆参数达到最佳匹配。定型的主泵方案,电机频率50 Hz,机功率比AP1000主泵增大20%。现在,CAP1400主泵工程样机已经造出来,通过第一阶段的试验,表明其流量、扬程、效率、惰转等关键指标达到设计要求。

在压水堆专项实施过程中,实施管理团队就是这样根据新的认识和可能不断提出新的要求,超越原定目标。最终的结果,就是CAP1400的总体性能指标远远高于最初的设想,设备自主化的程度也远远高于原定的设想。

压水堆专项实施伊始,就为CAP1400制订了明确的自主知识产权目标。但是拥有完整自主知识产权并不等同于出口不受限制。要做到出口不受限制,还必须解决好供应链中关键环节的自主化。一开始,对CAP1400的出口考虑得并不多,也未在专项中有针对性安排。其中的原因,一方面因中国是世界上最大的核电市场,有明确的核电发展需求,CAP1400首先应满足国内核电发展的需要,在国内建设的数量可以达到几十台,在这个过程中可以不断提升供应链的自主化水平,国内发展一段时间再进入国际市场似乎也不迟。另一方面,国际压水堆市场 (除巴基斯坦外)有西屋、阿海珐、俄罗斯原子能公司等厮杀,我们当时没有明确的目标市场,新的国际市场开拓的时间周期长、前期投入巨大。但是专项启动不久,高铁的成功走出去和韩国在阿联酋核电项目中标,极大地刺激了我国核电界,压水堆专项实施管理团队因此全面、系统地考虑起CAP1400走出去问题。经认真分析后,认识到在压水堆专项原定的攻关任务实现后,还必须解决好三大主要问题,CAP1400走出去才会更加顺畅。一是开发自主化的核电设计分析软件。原定的任务专注于CAP1400的开发,开发CAP1400所需的软件工具当然是用西屋成熟的软件工具为好。但是CAP1400如果出口到国外,如果没有自己的核心软件工具就一定会因此受制于人。第二是核燃料组件及其所用的锆材。西屋公司已经将当时最先进的Perf or mance燃料组件加工制造技术和相应的核级锆材技术许可给我们在国内使用,完全能满足CAP1400在国内建设运行的需要。但是如果出口CAP1400,没有自主知识产权的核燃料组件及包壳材料也势必受制于人。第三是核电站仪控系统设备。AP1000仪控系统由西屋公司设计,主要设备分别由ABB公司和艾默生公司生产。虽然CAP1400仪控系统由我方设计,但是当时国内并没有相应的仪控系统设备可供选用。而仪控系统设备不但在核岛设备中价格占比大,而且可靠性要求高,只有少数国外供应商可以生产,也很容易受制于人。

为了解决制约CAP1400出口三大障碍,国家核电技术公司采取了三大措施。

一是组建核电软件中心,开发具有自主知识产权的核电站设计分析核心软件。这个决定一开始是很有争议的。一方面核电软件开发所需资金大、时间长,短期难见效,另一方面国家核电技术公司当时并无这方面的人才队伍和机构,而且核级软件由于使用者有限,很难为公司带来经济效益。但是缺乏自主核电软件确是行业的切肤之痛,因此公司的决心得到了国家能源局和核电业界的支持。公司白手起家,组建了国内第一家专业的核电软件开发中心,大胆创新机制,分别从上海交大、华北电大请来杨燕华老师、陈义学老师做核电软件中心的主任、副主任并充分授权,将上海交大、西安交大和华北电大多位核电软件方面的专家引入开发团队,并在这些大学建立了核电软件工作站。在核电软件开发的很多决策中,从软件的名字COSINE到具体方式、内容、组织模式,公司充分尊重了开发团队的意见。同时,公司王炳华董事长每每在关键时刻为核电软件团队站台,协调公司内部各种资源支持软件的开发、验证和应用。目前,COSINE软件包已经进入工程试用阶段。

二是开发核燃料组件及其所用的锆材。核电站所用燃料组件开发难度大、技术复杂、开发周期长。在国家能源局和多个兄弟单位的支持下,核燃料组件开发团队悉心策划,用系统工程的方法周密部署各开发线路的工作,已经完成核燃料组件所用锆合金材料配方确定,锆合金铸锭和管、板、带工艺攻关,材料堆外试验,材料堆内试验,核燃料组件设计,燃料元件试制,燃料小组件和定型组件试制等多项任务,目前小组件已经具备入堆辐照条件,定型组件已经通过验收。

三是开发核电站数字化仪控系统。核电站数字化仪控是核电站的神经系统,技术难度高、经济附加值大。西屋公司对燃料组件和数字化仪控系统技术严格把控,设立了很多专利和技术障碍。压水堆专项仪控攻关团队先后完成了多样化驱动系统、棒控棒位系统、辐射检测系统、堆内核测系统、堆外核测系统、反应堆控制系统和反应堆保护系统的开发。尤其是在反应堆保护系统开发中,通过与美国洛克希德·马丁公司合作,开发出具有自主知识产权的基于FPGA技术的核电站反应堆保护系统平台,已经通过中美两国核安全监管当局的认证,获得进入全球核电市场许可。

AP1000特有的钢制安全壳和全锻造主管道,最初的方案是首堆由意大利安萨尔多完成研制并向中方供货,然后将生产技术转让给中方。在供货谈判中意大利方面报出高价,中方决定开展自主研制,最后成功实现了首堆的供货。原来引进技术消化吸收课题变成了中方自主研制课题。CAP1400蒸汽发生器最初没想大改,但是现在完全重新研制。非能动安全壳整体试验台,最初的方案是自建锅炉供应试验蒸汽,现在是利用一个发电厂的蒸汽,但正是由于发电厂提供的试验蒸汽保障,使这个台架在世界上变得难于超越。

3　成绩斐然,意义深远

截至2017年12月底,压水堆专项围绕AP1000技术消化吸收、CAP1400研发、压水堆重大共性技术与关键设备材料研制,共部署了114项重大课题,中央财政资金投入约94亿元,引导社会资金投入数百亿元。200多家企业、科研院所、高等院校的2万余名科技人员参与了课题研究,形成国内外专项约3500余项、技术标准近1000项。

压水堆专项的实施,有效填补了我国核电产业的空白领域,加强了薄弱环节,显著提升了我国核电技术自主创新能力,推动我国核电从二代向三代的跨越式发展,带动核电装备制造水平进入世界先进行列。

打造了先进的核电研发设计体系,自主研发了先进核电设计软件,建成了一批国际领先的非能动安全试验设施。国内有关单位新建试验台10个、改造12个。开展了大量试验,积累了海量试验数据。完善了核电设备鉴定平台和体系,建立了三代核电标准体系,提升了核电安全审评软硬件实力,培养和锻炼了一支掌握先进核电技术的人才队伍。

提升了核电装备自主设计与制造能力,全面掌握了屏蔽电机主泵、反应堆压力容器、蒸汽发生器、数字化仪控系统、燃料组件、核级泵阀、大型汽轮发电机组等三代核电关键设备技术。实现了关键材料国产化,成功研制出超大型锻件、690合金管、核级锆材、核级焊材和核级电缆等。支持形成了一批具有世界先进水平的设备材料制造基地和由160余家企业组成的面向国内外的三代核电设备供应链体系,具备了批量制造核电设备的能力。

全面掌握了三代核电施工技术,构建了完整的核电建造技术体系和建造标准,突破了大体积混凝土一次性浇灌成型、模块化施工、特殊部件自动焊接等关键技术,核岛土建、安装和施工管理技术达到世界先进水平,世界上最大的3800 t级履带式大吊车已成功应用于工程施工。

压水堆专项研发的CAP1400是目前世界上功率最大、安全等级最高的非能动型压水堆核电站,具有较强的经济竞争力和非常好的环境友好性。电功率150万k W左右,设计寿命60年,电站可利用率大于93%。具备抵御类似福岛海啸、地震的能力,可避免氢气燃烧引起的安全壳破裂;具备抗大型商用飞机恶意撞击能力。CAP1400三废排放达到国际最严格标准,放射性废气、废液和废固处理方法进一步优化,排放物浓度进一步下降。

CAP1400示范工程施工图已经完成99.2%,开工前的各项工作已经全部就绪满足开工后连续施工要求。

从压水堆专项目前进展可以判断:如不考虑CAP1400示范工程工期影响,压水堆专项确定的各项攻关目标均将圆满完成,相当多的目标超过原定要求,将给国家交上一份优质的答卷。