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第三代核电机组CAP1400正从 图纸变为现实拟下半年开工
发布日期:2022-09-02 20:58:28   来源:环球体育网站多少 作者:环球体育官网进入    点击次数:1

  中国在核电发展上雄心勃勃,在建的核电机组数量占全球逾40%。在日本福岛核电事故发生之后,全球核电复苏遭遇寒潮,中国则决心逆势而上。其中,不仅需要克服国人对核电安全隐患的顾虑,更需要重塑中国核电安全技术在全球的新地位。因此,如何从安全性出发,并拥有具有自主知识产权的大型先进压水堆核电技术,成为中国即将启动新建核电项目的核心,也是中国能源界和核电界的梦想的起点。

  与二代不同,非能动三代核电机组堆芯熔化概率和大规模释放放射性物质的概率,要比目前主流的第二代核电机组大约低100倍。这近100倍的关系,意味着大规模释放放射性物质的概率在工程学上可忽略不计。

  此外,2011年日本大地震及海啸也暴露了二代核电机组会由于失去所有能动安全系统而出现冷却失灵、堆芯熔毁而带来的巨大危害。而非能动三代核电机组可在72小时之内无需人工干预,通过重力、自然循环等方式进行散热,从而避免日本福岛核电站的悲剧。

  除上述两个因素外,CAP1400也是中国在压水堆重大专项技术上自主创新的体现。这一创新将中国的核电技术推向了一个新高潮,并具有了从核电大国到强国转变的划时代意义。中国高层也希望,通过中国本土化的实践能让中国也像美国、法国、韩国一样,在满足国内核电自主建设发展的同时,实施核电成套技术“走出去”的战略,赢得世界核电大单。于是,AP1000、CAP1400为代表的第三代核电被中国确立为未来的主流机型。

  CAP1400是压水堆重大专项示范工程的代号,是在美国西屋公司AP1000技术的引进、消化、吸收基础上的再创新。“C”为“中国”英文单词的首个字母,“A”、“P”分别是“先进”和“非能动”英文单词的首个字母,CAP1400含义为中国装机容量为140万千瓦的先进非能动核电技术。

  按计划,作为国家重大专项,CAP1400将有望在今年8月浇注第一罐混凝土,并将一步步地从图纸变为现实。

  就CAP1400在研制过程中面临怎样的挑战,其将如何促进中国核电制造业的发展,推进政府的核电管理体系的完善等问题,早报记者近日专访了上海核工程研究设计院院长、国家重大科技专项《大型先进压水堆核电站》总设计师郑明光。

  “西屋公司提出来说你这个反应堆的毛功率基本上能达到135万千瓦以上,但净功率只有128万到129万千瓦。根据这样的情况,知识产权不属于中国,因为净功率还差6万至7万千瓦。那么我们说,当时合同规定的135万千瓦是毛功率,但他说合同上面没写是“毛功率”,也没写是“净功率”。但是,中国能源界在谈比如百万级,一般都是按毛功率算,没有说是按净功率算的。我们一直想跟美国人打官司,但这种事情是很难打清楚的。因此回来以后,征得国家核电董事长的同意,上海核工院就对整个方案进行了比较大范围的调整。”

  东方早报:西屋公司在AP1000技术转让时,画了一条红线—中国消化吸收后的核电机组装机容量只有突破了135万千瓦之后,才能视作拥有自主知识产权,并出口国外。将自主知识产权的门槛画到了135万千瓦之上,突破这一功率难度在哪?

  郑明光:难度应该讲还是非常大的。事实上我们和西屋公司之间有过多次交涉。2007年,当时国家核电任命我为大型先进压水堆重大专项工程的总设计师以后,我组织了我们院的相关团队进行了方案的研究。当时就确定了两个型号,一个是CAP1400,一个是CAP1700。确定时,一般来讲,前一个是毛功率达到140万千瓦左右,后一个是毛功率达到170万千瓦左右,这是两个基本前提。第二,安全性要不低于AP1000,经济性要好于AP1000,整体设计寿命60年,这对整个设备的可靠性设计、系统的可靠性设计,都提出了更高的要求。

  这些三代制造技术要求的变化,使我们的装备制造业开始的时候有很多跟不上。因此,2007年12月17日、18日,国家能源局在北京对这个实施方案进行注册审查的时候提出了很多边界条件要求,当时的说法是,主泵基本不能动,CAP1400里面就用AP1000的主泵。那我们只能适当增加流量,比如说降低扬程、增加流量,但就是不能做大的变化,还有蒸汽发生器不能大动等等。

  另外,安全壳直径也不能发生变化。这些边界条件设了以后,实际上对我们来说有很大的空间限制,你要想再增大功率,在当时条件下基本不可能。因为AP1000的安全壳内部空间本来就非常紧张,39.6米的安全壳直径,根本没有办法放下更大的蒸汽发生器。反应堆堆本体已经增加了近40厘米的直径,在安全壳没有放大的情况下,安全壳厂房里面的布置就非常困难。但是我们想了办法,就是把原来CAP1400第一方案中的反应堆热功率由373万千瓦升为382万千瓦,提了9万千瓦,这主要是为了满足在内陆也能有140万千瓦左右的毛功率。

  但是,2009年到西屋公司进行会谈的时候,当时我记得是11月份,西屋公司、东芝公司提出来说你这个反应堆的毛功率基本上能达到135万千瓦以上,但净功率只有128万到129万千瓦。对方自称是日本东芝公司搞汽轮发电机的。根据这样的情况,这个知识产权不属于我们,因为净功率还差6万至7万千瓦。那么我们说,当时合同规定的135万千瓦是毛功率,但他说合同上面没写是“毛功率”,也没写是“净功率”。但是,中国能源界在谈比如百万级,一般都是按毛功率算,没有说是按净功率算的。我们一直想跟美国人打官司,但这种事情是打不清楚的。因此,回来以后,征得国家核电董事长王炳华的同意,我们就对整个方案进行了比较大范围的调整。

  当然,调整是有科学依据的。第一,我们的工程技术在不断进步,特别是在浙江三门核电机组,当时钢安全壳开始加工,我们就跟相关部门,包括国核设备、上海电气等进行了沟通,也做了试验,验证了钢安全壳的厚度可以增加,现场的热处理在工程上不是不可克服的难点。在这样的情况下,我们就把钢安全壳的厚度进行加厚,并进行了重新设计,把原来的39.3米至39.6米的安全壳直径扩大到43米。

  这一扩大以后,就开辟了另外一片天地,可以对整个设备进行重新的谋划。这时候,我们就把蒸汽发生器扩大了将近25.7%的流通面积,换热面积增加了27%至29%。换热面积增加,主管道的流通面积增加了将近30%。原本在AP1000里,像管道的流速等一些指标,都是高于美国核电用户要求文件(utility requirements document,URD)要求的。

  把主管道扩大,增加蒸汽发生器的流通面积,使整个回路的流通特性或者传输的优化得到非常好的体现。扬程乘以流量就是主泵功率,我们把这部分进行了适当调整,从原本的想利用AP1000的现有设备扩大堆芯、扬程降低5%,从而增加流量,改为扬程基本保持不变,流量增加到17%,这是第一个门槛。

  然后,通过上海电气凯士比公司的协调和研究,觉得流量还可以再增加,最后我们把CAP1400的流量增加到21%,就相对于AP1000的主泵,CAP1400的主泵增加了21%的流量。在这种情况下,CAP1400作为一种型号来说,无论是一回路平均温度也好,流量也好,二回路的整个蒸汽压力也好,特别是整个机组的效率也得到了比较好的提高。因此,突破135万千瓦净功率的实现,实际上是一个根本性的创新。如果不是根本性创新的线的基础上通过改变一些其他的手段,比如说降低安全裕量、“挖”的潜力的方法等所能达到的。

  因此,CAP1400设备,如反应堆堆芯,从157盒燃料组件变成了193盒燃料组件,是完全的重新设计,堆芯内的流场分布、流量分配、流致振动都要经过重新试验。为此,共进行了6个大项的试验研究,每个大项里面都有很多子项的研究内容,主要是把可能对设计有影响的因素全部摸索或者挖掘出来,挖掘对安全上有影响的因素。

  关于试验的目的,我们认为有三个,第一就是支撑设计,第二是支撑安全审评,提供相应的支持性材料,第三是为以后的设计工具、分析程序的自主化研发积累数据。没有这些试验研究结果,单靠自己开发的程序验证是非常困难的。在这过程中,我们对反应堆的结构进行了重大改进。到目前为止,在反应堆的结构方面有很大的进步。同时在流致振动方面,也进行了相应的试验。对蒸汽发生器也进行了全面的研究,不但汽水分离器本身是完全自主化的开发,同时对蒸汽发生器的整体设计,包括60年寿命的考核、U形管的磨蚀、相应材料特性的研究等做了大量的试验。

  对于非能动的整个系统,在发生事故的情况下,怎么样能保证反应堆的长期安全等也进行了台架试验研究?安全壳不但是放射性的最后一个屏障,它更是核电站安全系统的最终预警。因此,我们对于安全壳性能、安全壳的内部行为、安全壳的外部冷却能力等都展开了全范围的研究。

  通过这些研究,把整个非能动技术,把目前整个核电设计的安全概念进行了全面的分析研究,使整体的设计能力包括分析能力得到了充分的加强。反过来也支撑了设计,这对于下一步的非能动型号系列化的发展会起到非常重要的作用。

  所谓非能动型号系列化,就是在策划过程当中,我们认为中国需要大型号,比如说CAP1000、CAP1400、净功率在170万千瓦的CAP1700等新型号。主要考虑到中国的厂址资源比较有限,大机组对于大电网,比如说将来发展到20亿千瓦,甚至到30亿千瓦情况下的大电网,对于我们国家能源结构的调整和能源安全都有非常大的作用。也就是说,首先需要立足于国内核电市场的发展,那么怎么兼顾到国际核电市场的发展?

  因此,现在我们也在设计中型的,比如说CAP400、CAP700,甚至我们还将推出一些小型机组,如CAP50到CAP250,主要是满足国际上不同发展的需求,使先进的核电技术、中国巨大的装备制造潜能能够在世界核电发展过程中发挥很好的主导和推动作用,对整个世界核电的和平发展做出贡献。

  来自国家核电技术公司的信息显示,CAP1400示范工程施工图设计已经过半。CAP1400的汽轮发电机等长周期设备也正在研制之中,屏蔽电机主泵已启动样机试制,压力容器、蒸汽发生器、稳压器等核岛主设备均已开工制造。

  CAP1400关键设备研制,经过近七年的培育,三代核电设备合格供应商体系基本形成,完全能够支撑AP/CAP核电批量化发展。目前已有88家中国企业获得合格供应商资格,产品覆盖机械、电气设备、材料和部件、设计和建安服务等,设计分析和试验验证等技术内涵大幅提升。2009年9月国家核电与华能合资组建国核示范电站有限责任公司。2013年12月24日达成了在荣成石岛湾厂址共同建设CAP1400示范核电站的战略协议。

  东方早报:设备这一块,前段时间国家核电技术公司到上海电气去参观他们的设备,CAP1400现在的设备研发情况如何?制造有没有遇到什么大的问题?

  郑明光:CAP1400的重大设备,或者说长周期设备,基本上都已经在生产了。如反应堆压力容器,中国第一重型机械公司已经开始生产,目前的进展还是比较好的。大设备,像蒸汽发生器,现在国内有两个企业在生产,一个是东方电气生产两台蒸汽发生器,另一个是上海电气,也生产两台蒸汽发生器。

  上海电气生产的蒸汽发生器的管板已经在钻孔,听说已经钻了13068个孔了,一台蒸汽发生器差不多有25212个孔,因为一台蒸汽发生器里的U形管是12606根管子,乘2的就是25212个孔。整个设备,按照工程和设计配套的思路在推进。我们原本想在去年四五月份的时候,浇灌第一灌混凝土。但是在国家层面上,因为日本福岛核电事故、浙江三门核电机组依托项目有点延期等原因,所以CAP1400实际上也受到了一定影响。

  我们院基本上是按照上述思路推动CAP1400工程的。国内自主创新的秦山一期就是我们院设计的,对于核电研发设计过程中规律性的东西,我们把握得还是比较清楚的。在设计过程中,我们就非常关注整个设备的研制,特别是初步设计完成后,迅速提出设备的技术规格书或设备的技术规范要求。这些规格书和规范要求,事实上明确了设备制造的相关输入,同时我们也进行了有效的推进,所以说CAP1400,一方面体现设计的自主创新能力,另一方面,最重要的还是设备国产化的研制进程。

  目前预计CAP1000的设备国产化将达到85%左右,CAP1400基本上也是同样的比例。因为在开发的时候,把这两个作为型号的系列化开发,同步地朝前推进,因此CAP1400的设备国产化的比例还是蛮高的,特别是CAP1400设备的所有关键技术,也得到有效地提前研发或者研制,应该说对于保证整个工程的进展会起到积极的作用。

  到目前为止,在CAP1400的研发过程中我们还没有发现克服不了的问题。像蒸汽发生器的整个进展比较顺利,当然,过程中锻件也碰到了一点难题,如蒸汽发生器水室封头的热处理问题等等。但我觉得这过程总是会有的,但最终都会成功。因为在摸索清楚整个工艺后,产品的安全质量还是能得到保证的。对于CAP1400来讲,它的汽轮发电机,首堆就是东方电气生产的。这也说明CAP1400也好,后续的CAP1000也好,装备制造国产化的能力会得到更进一步的提升或者提高。

  东方早报:像主泵这一块,上海电气和凯士比合资的上海电气凯士比公司在做,现在他们做的主泵情况怎么样?

  郑明光:主泵这一块,对于这种关键设备,我们从整个布局上一般有两大思路,一方面要促进国产化的生产,一方面也必须考虑项目相应的风险。所以一般来讲,我们对于这些关键设备都考虑两到三家生产制造厂家的培育。

  像主泵,原本只有沈阳鼓风机集团股份有限公司(沈鼓)和哈尔滨电气股份有限公司(哈电)引进美国EMD公司的技术,美国的技术,生产屏蔽泵。但一家公司感受到供货的压力、市场竞争的压力,还包括将来可能的垄断情况的发生。所以,CAP1400作为国家级型号的开发,我们就安排了两个厂家同步进行,应该讲上海电气凯士比公司的主泵研制还是比较顺利的,预计8-10月份工程样机的全流量试验将在上海临港进行。

  沈鼓、哈电也要进行相应的试验工作,但进度可能要比上海电气凯士比公司稍微晚一点。核电设备的国产化,我们始终秉承一个原则:必须保持合理的市场竞争。所以,我们不会说上海电气凯士比公司成功了,就把沈鼓、哈电给抛弃了,必须使两家共同参与。

  一方面要避免垄断,同时要避免市场恶性竞争。这两个极端都不行,前者较难控制价格,不利于发展;市场恶性竞争的话,会搞垮企业,我们也不希望发生。核电是一种战略性的产业,战略性的产业需要战略性的合作,需要战略伙伴,如果没有战略伙伴,单靠一个项目上捞一票,对企业发展、对后续的产业链上的其他单位、对核电业主都是不利的。

  所以,我们想培养这种战略的联盟,共享利润或者利益空间,使竞争有序。不能没有竞争,但这是战略互补型的竞争,共同促进的竞争,使核电发展更加安全。核电大发展的时候,说句实话来不及生产,不发展的时候停着,都不好,所以都是有序安排、有序发展,战略发展。但同时也要考虑到将来要走出去,走出去的话要有一个战略联盟体,这样市场开发成本、国际化成本低,而且相互之间协作,从某种程度上来说风险也更小。

  从各方面考虑,国家核电也在营造一个CAP系列的产业联盟、产业链,因为产业链它有前端、后端,有大、有小。比如上海电气,它可能都做大的设备,小的设备单件成本比较高,大企业做可能不合算,那么就让小的配套企业来做。我们在上海市副市长主持的企业家沙龙上提到,这种产业性的战略联盟,对于产业的培育、水平的共同提高、共同走向国际市场,都有较大的帮助。

  郑明光:核电行业绝对不能恶性竞争,一定要有序安排,既不能垄断,也不能无序地恶性竞争,无序地恶性竞争就是搞垮整个产业,对核电的安全不利,如果垄断了,那对核电发展不利。

  东方早报:4月底,在山东荣成市召开的CAP1400示范工程开工专题会议上,提出CAP1400的预估造价每千瓦1.6万元人民币,你认为这在国际三代核电里算怎样一个水平?

  郑明光:电力的造价实际上跟管理的模式、原先厂址的成本、业主的组织机构都是有关系的,包括融资模式。我觉得要根据每个国家内部的电力水平衡量以后再来判断有没有竞争力,目前提的这个造价,在国际国内应该都是有竞争力的。

  市场上每千瓦1.6万元也好,其他价格也好,最近的价格变化起落比较大,人民币贬值,美元贬值,很多价格以当前这个数据来说,没有太大实际意义。关键是建成的时候,对整个市场电价有没有竞争力,这很关键。可以这样说,CAP1400比AP1000在经济性上会更好,这是对党中央、对领导的承诺。我们方案里面就讲了,安全性不低于AP1000,经济性要好于AP1000,如果没做到,就是重大专项的目标没有实现。在这方面,我们非常关注。而且在整个策划过程中,始终围绕确保安全性,同时满足经济性的要求。如果经济性不满足要求,就没有竞争力,造核电的目标也就失去了,这两方面还是会努力平衡。

  曾经估算的造价水平是比较低的,现在考虑到市场价格、汇率等方面的变化,我们适当往上进行了调整。示范堆的造价一般会稍高一些,但标准化以后,特别是后续的CAP1400,如工期缩短后,价格肯定会降低。因为示范堆有很多不确定因素,也包括很多风险,这些都需要在造价内考虑的。示范堆还会多做些试验,而且我们考虑的示范堆的工期还是比较长的。CAP1400未来如果真正实施模块化施工的话,那么工厂化预制、模块化施工会使效率提高不少,经济性会得到进一步的体现。目前的依托项目,如浙江三门核电机组,实际上模块化施工、工厂化预制的优越性没有体现出来,这是因为西屋公司在施工过程中有的设计并没有固化。对一个工程来说,如果设计能够及时固化、标准化,那么接下来的施工流程就不会经常返工,也就是说成熟以后的经济性会提高。

  东方早报:就是说有了三门这种经验以后,CAP1400在设计固化方面肯定会更加完善一些。

  郑明光:对,我们就是照着这个目标去要求。而且,像CAP1000,院里也基本上做了三版。第一版我们是跟着西屋做,说句实话某种程度上还是个翻版阶段,那是2011年之前。日本福岛核电事故发生以后,给了我们一段空隙期,院里开始自主设计。实际上就是跟随正常的设计流程走,从互提资料开始,按照院里的整个设计流程来推进设计工作。这一版做了以后,对CAP1000的中国化或者国产化来说,起到了非常大的作用。CAP1000工程设计实施的方式方法,都按照我们成熟的、有效的管理方法来落实。在这个层面上,从设计管理上,跟西屋原版的方法就有出入。包括出图方式,西屋的出图方式跟我们的出图方式也不一样,我们提倡的是成册、成套、成体系,一看就是一套完整的图纸、一套完整的说明书,不像西屋公司,按照物项或是活动项来推行它的设计产品或者图纸。

  东方早报:这里我们代表读者提两个问题,CAP1400是否具备调峰能力,及内陆是否具有建核电站的可能性?

  郑明光:CAP1400的功率变化主要是靠控制棒调节,相比当前的二代加机组有更好的调峰能力,但调峰能力也不是绝对的。在燃料的前80%~85%的使用时间里,应该比较容易调峰。到后期的话,调峰会困难一些。但作为一个核电站来讲,CAP1400是具有调峰能力的,且调峰过程中相应产生的放射性废物是比较少的。二代加机组如果要调峰是比较困难的。首先,二代加机组调峰主要是靠一回路硼浓度的变化来调节,硼调节的话就要靠稀释或者是硼化,稀释过程中会产生大量的废水。而AP1000,CAP1400,调峰所产生的放射性废物量比二代加机组反应堆的废物量会减少不少,因为并不是通过一回路的调硼来实现调峰。

  当然,像火电一样随机调峰的话也并不太适合于核电。但有规则地调峰,按照核电目前的设计,都是可以的。像CAP1400,反应堆堆芯有89束控制棒组,其中48束是停堆棒,41束调节棒是可以参与反应堆功率控制的。CAP1400的核燃料将来都由包头202厂(注:中核北方核燃料元件有限公司)生产,CAP1400首炉燃料有可能采用AP型的燃料、自主研发的先导燃料组件,随后将采用我们自主开发的新型燃料组件。因为CAP1400要走出去,就必须要立足于自主开发,要有自主知识产权的燃料组件。


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