歐陽予

AP1000核電機組本土化研究進展

歐陽予

編者按：AP1000核電技術(shù)作為第三代核電技術(shù)代表之一，引入了安全系統(tǒng)非能動理念，在設(shè)計中采用了非能動的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，大大降低了發(fā)生人因錯誤的可能性，進一步提高了核電廠的安全性，同時也會降低核電機組建設(shè)和運營的成本。針對我國AP1000核電機組本土化研究進展，本刊專訪了核電專家歐陽予院士。

《中國核電》：核能在當(dāng)今能源和經(jīng)濟領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，請您介紹一下核能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程。

歐陽予：核能發(fā)電可以分為幾個階段：1954年，蘇聯(lián)建成了電功率為5 000 kW的實驗性核電站；1957年，美國建成了電功率為9萬kW的希平港原型核電站，從而證明了利用核能發(fā)電技術(shù)的可行性，國際上把這種實驗性和原型核電機組稱為第一代核電機組。

20世紀(jì)60年代后期以來，一些國家陸續(xù)建成了一些電功率30萬kW以上的壓水堆、沸水堆、重水堆等核電機組，不僅進一步證明了核能發(fā)電技術(shù)的可行性，也證明了核電在經(jīng)濟性上能與火電、水電相競爭。目前，世界上正在商業(yè)運行的400多臺核電機組絕大部分是在這段時期建成的，這些機組被稱為第二代核電機組。我國目前已經(jīng)運行的核電機組都屬于第二代核電機組。

1979年和1986年分別發(fā)生的三哩島和切爾諾貝利核事故，使得人們重新重視核電的安全性?？蒲腥藛T針對第二代核電機組不足之處，進一步采用經(jīng)過開發(fā)驗證可行的新技術(shù)，以顯著改善核電機組的安全性和經(jīng)濟性，滿足美國URD文件、歐洲EUR文件和國際原子能機構(gòu)NUSS建議法規(guī)（修訂第二版）的要求。國際上把滿足上述要求的核電機組稱為第三代核電機組。目前，經(jīng)核安全監(jiān)管當(dāng)局批準(zhǔn)，可以進行商用建造的第三代核電機組有AP1000、EPR、SYSTEM80+等。我國正在建設(shè)的浙江三門核電站、山東海陽核電站就是采用了第三代AP1000核電技術(shù)。

同時，科研人員也在積極研發(fā)第四代核能系統(tǒng)。2000年1月，在美國能源部的倡議下，10個有意發(fā)展核能利用的國家派專家聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”（GIF），于2001年7月共同約定合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)（GenⅣ）。第四代核能系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)是要在2030年或更早一些時間創(chuàng)新地開發(fā)出新一代核能系統(tǒng)，使其在安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展性、防核擴散、防恐怖襲擊等方面都有顯著的先進性和競爭能力；它不僅要考慮用于發(fā)電或制氫等的核反應(yīng)堆裝置，還應(yīng)把核燃料循環(huán)也包括在內(nèi)，組成完整的核能利用系統(tǒng)。中國原子能科學(xué)研究院研發(fā)的中國試驗快堆就屬于第四代核能系統(tǒng)。

《中國核電》：您提到了第三代核電機組比第二代更加安全，請具體介紹一下第三代核電機組的安全性。歐陽予：第二代核電機組是在20世紀(jì)七八十年代根據(jù)老的安全法規(guī)設(shè)計的，沒有把嚴(yán)重事故（即堆芯熔化事故和放射性向環(huán)境大量釋放事故）作為設(shè)計基準(zhǔn)，僅考慮有限的防范和緩解。同時，第二代核電廠的安全殼也沒有考慮對嚴(yán)重事故的負(fù)載。

第三代核電技術(shù)吸取了第二代的運行經(jīng)驗和成熟技術(shù)，充分使用幾十年來的科技進步成果，按照URD、EUR或NUSS的新安全法規(guī)設(shè)計，為提高安全性，必須要有預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的設(shè)施，并考慮安全殼對嚴(yán)重事故的負(fù)載。

它首先是著重于設(shè)置預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的措施，將出現(xiàn)堆芯熔化和安全殼失效導(dǎo)致放射性大量釋放到環(huán)境的概率降到很低的水平（現(xiàn)已分別定為不大于10-5/堆?年和10-6/堆?年）?？蒲腥藛T從兩條不同的技術(shù)路線來進行這方面的工作：一條技術(shù)路線是在第二代基礎(chǔ)上再增加和強化專設(shè)安全系統(tǒng)。例如安全注射、堆芯余熱排出等系統(tǒng)由二系列增加為四系列；相應(yīng)地，應(yīng)急安全電源等支持系統(tǒng)也由二系列增加為四系列；以及增設(shè)堆芯熔融物捕捉和冷卻系統(tǒng)以防止安全殼熔穿等。另一條技術(shù)路線是從根本上革新，利用自然界固有的規(guī)律來保障安全，即利用重力、慣性，流體自然對流、擴散、蒸發(fā)、冷凝等原理，在事故應(yīng)急時帶走堆芯余熱，確保冷卻反應(yīng)堆廠房（安全殼）完好無損。這就是以AP1000為代表的第三代核電技術(shù)所采用的“非能動”安全系統(tǒng)的技術(shù)路線。這條路線，既簡化了系統(tǒng)、減少了設(shè)備和部件，又大大提高了安全性。發(fā)生事故時，人機接口簡化，人因錯誤的可能性也相應(yīng)降低。所以，從技術(shù)上講，非能動技術(shù)路線顯然先進一些。

《中國核電》：我國的浙江三門核電站、山東海陽核電站采用了AP1000核電技術(shù)，請您談?wù)凙P1000核電技術(shù)的成熟性。

歐陽予：AP1000核島主系統(tǒng)的主設(shè)備，即反應(yīng)堆、主泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器等，主要都是在已有運行經(jīng)驗的設(shè)備基礎(chǔ)上選用或改進設(shè)計的，所以說技術(shù)上是不用擔(dān)心的。

AP1000反應(yīng)堆堆芯是西屋公司標(biāo)準(zhǔn)的“314”型，由157件長度為14英尺的燃料組件所組成，這種反應(yīng)堆堆芯已有兩套在比利時（Doel 4，Tihange 3）運行，已有20多年的運行經(jīng)驗。雖然西屋公司AP1000的“314”型與比利時的“314”型相比略有改進，但都屬于同一型號在分期建造中的改良，屬于翻版加改進的性質(zhì)。

AP1000所用的△125型蒸汽發(fā)生器與已有運行經(jīng)驗的△75型（已用于V.C.SUMMER核電廠）、△94型（已用于SOUTH TEXSAS核電廠）和△109型（已用于ARKANSAS核電廠）的結(jié)構(gòu)、性能和容量大體相同而略有改進，也屬于翻版加改進的性質(zhì)。

關(guān)鍵是AP1000所用的屏蔽電機主泵。屏蔽泵雖然在小功率的核電站上用過，在核潛艇、核航空母艦和石化工業(yè)上大量使用過，證明了它有很多優(yōu)點，但在大功率核電機組上還沒使用過。所以，對AP1000大型屏蔽電機泵必須經(jīng)過充分的試驗驗證，鑒定合格，以證明其確已滿足工程使用的要求。西屋公司及屏蔽泵供應(yīng)商EMD公司已制訂了詳細(xì)的試驗驗證計劃，正在組織實施，我們必須密切加以關(guān)注。

主泵供應(yīng)商EMD公司分別在2009年9月、2010年2月做了2次中間試驗，主泵軸承還存在一些問題。西屋公司、EMD公司正在分析、查找原因，EMD公司也在積極地進行中間試驗。

至于專設(shè)的核安全保障系統(tǒng)和設(shè)施，在電站運行時一般只是“站崗放哨”的“保衛(wèi)部門”，正常發(fā)電時一般是不動作的，只是在事故應(yīng)急時才動作（這種情況最好不發(fā)生）。所以，衡量它們的成熟性主要不是看它陪著核電站主系統(tǒng)運行了多長時間，而是要看是否已經(jīng)過充分的論證和試驗驗證，鑒定合格，并經(jīng)政府主管部門和核安全當(dāng)局批準(zhǔn)。

AP1000設(shè)計控制文件（DCD）已于2004年9月經(jīng)美國核管理委員會批準(zhǔn)，已給西屋公司頒發(fā)了最終設(shè)計批準(zhǔn)書（FDA），2005年12月又頒發(fā)了設(shè)計證書，肯定了它的成熟性。

《中國核電》：請您談?wù)勎覈贏P1000核電技術(shù)項目上的歷程。

歐陽予：對于我國來說，應(yīng)該通過自主開發(fā)與引進技術(shù)相結(jié)合，達到能自主設(shè)計和建造第三代百萬千瓦級大型先進壓水堆核電機組的目標(biāo)，形成先進的、標(biāo)準(zhǔn)化的、能批量建造的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，優(yōu)質(zhì)、高速、安全地發(fā)展核電。在此基礎(chǔ)上還應(yīng)不斷改進、創(chuàng)新，開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的中國品牌的先進核電機組。

為此，國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)決定，以浙江三門和山東海陽兩個核電項目作為第三代核電自主化依托工程，引進技術(shù)，建設(shè)4套第三代壓水堆核電機組。通過這4套機組建設(shè)和消化吸收引進技術(shù)，使我國不僅具有獨立自主設(shè)計建造和系列發(fā)展第三代百萬千瓦級核電機組的能力，而且具有繼續(xù)改進、提高、創(chuàng)新、發(fā)展的后勁，能針對其不足之處和發(fā)展空間自主進行研究開發(fā)，力爭在一定時期內(nèi)設(shè)計出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代大型先進核電機組，并著手建造示范機組，然后逐步推廣。

2003年9月，啟動了三代自主化依托項目國際招標(biāo)，主要在AP1000和EPR二者之間選擇。2006年12月16日，中美兩國政府簽署《關(guān)于在中國合作建設(shè)先進壓水堆項目及相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的諒解備忘錄》。2007年3月1日，國家核電技術(shù)公司會同浙江三門、山東海陽項目業(yè)主與美國西屋聯(lián)合體簽署了《核島采購框架合同》和《技術(shù)轉(zhuǎn)讓框架合同》。2007年7月24日，我國第三代核電自主化依托項目簽字儀式在人民大會堂舉行。國家核電技術(shù)公司、三門核電公司、山東核電公司與美國西屋聯(lián)合體及其分包商分別簽定了依托項目4臺機組的核島采購合同和技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同。按照合同規(guī)定，中方將與美方合作設(shè)計、建造4臺AP1000機組，并從美方采購部分設(shè)備。美方轉(zhuǎn)讓AP1000設(shè)計技術(shù)、設(shè)備制造技術(shù)、建造技術(shù)及機組成套等技術(shù)。合同規(guī)定，在合作設(shè)計、建設(shè)依托項目和中方消化吸收轉(zhuǎn)讓技術(shù)的同時，中方將自主地、系統(tǒng)地開展“AP1000驗證設(shè)計”，美方有責(zé)任對“驗證設(shè)計”進行復(fù)核，以確認(rèn)其可用于AP1000后續(xù)工程。合同還明確，我國在掌握轉(zhuǎn)讓技術(shù)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，設(shè)計建成額定電功率不小于135萬kW的非能動核電機組，即擁有我國的自主知識產(chǎn)權(quán)，并可出口國外。

《中國核電》：請您談?wù)勎覈壳霸贏P1000核電技術(shù)上取得了哪些成果。

歐陽予：經(jīng)過幾年的努力，我國已在世界上率先掌握了模塊預(yù)制、拼裝組焊、整體吊裝的工藝和技術(shù)，掌握了鋼制安全殼CV底封頭、筒體的鋼材研制、弧形鋼板壓制、拼裝焊接、焊材本土化生產(chǎn)和整體運輸?shù)跹b的工藝和技術(shù)，掌握了AP1000核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注的工藝和技術(shù)。

經(jīng)過浙江三門核電站1號機組的工程實踐，及時總結(jié)、反饋經(jīng)驗，使其他機組相應(yīng)節(jié)點的工期進一步縮短，質(zhì)量進一步提高，專業(yè)化管理的優(yōu)勢得到體現(xiàn)，為依托項目后續(xù)節(jié)點和AP1000后續(xù)項目建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗。

目前，國內(nèi)企業(yè)在主管道、壓力容器、蒸汽發(fā)生器鍛件本土化、CV鋼板研制和底封頭、1號環(huán)的制造、安注箱、堆芯補水箱、余熱排出熱交換器研制等方面都取得了成功。

在技術(shù)轉(zhuǎn)讓方面，國家核電技術(shù)公司作為三代核電技術(shù)引進消化吸收和再創(chuàng)新的主要載體和研發(fā)平臺，正在穩(wěn)步推進AP1000的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和消化吸收工作。據(jù)了解，目前技術(shù)轉(zhuǎn)讓進展比較順利，第三方軟件引進取得突破，TP3（初步安全分析報告）的所有文件已完全交付，已報送國家核安全局審查。對其余文件正在進行檢查、整理，組織消化吸收。國家核電技術(shù)公司正在與有關(guān)部門和單位溝通，制定AP1000技術(shù)在國內(nèi)的分許可辦法。

目前，適應(yīng)于浙江三門、山東海陽兩廠址的AP1000工程設(shè)計，由美方負(fù)責(zé)，正在美國匹茨堡進行，我方派人參加。另有部分BOP等子項分包給我國設(shè)計。但是，單靠參加這些設(shè)計工作，我們并不能達到真正能獨立自主設(shè)計AP1000后續(xù)項目的目的。

因此，要結(jié)合消化吸收引進技術(shù)，開展驗證設(shè)計，從反應(yīng)堆物理、熱工、水力、堆芯及核燃料性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)到主回路系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、安全分析等根本性能做起，做一整套完整的設(shè)計，在其中實際使用和驗證引進的技術(shù)，必要時還得做驗證試驗，做到“不僅知其然，而且知其所以然”，這樣才能早日設(shè)計制造出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電機組。

Independent Research Progress of AP1000 Nuclear Power Plant

OUYANG Yu