文‖《上海國(guó)資》記者 孫一元

CAP1400核電新突破

文‖《上海國(guó)資》記者 孫一元

國(guó)產(chǎn)化是自主的設(shè)計(jì)過(guò)程，自主創(chuàng)新則每個(gè)階段都是攻堅(jiān)戰(zhàn)

2016年12月29日,由上海核工程研究設(shè)計(jì)院自主設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)自主化高性能燃料研發(fā)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。此前,由上海核工程研究設(shè)計(jì)院牽頭,上海電氣下屬企業(yè)上核、一機(jī)床等單位聯(lián)合承擔(dān)的壓水堆重大專項(xiàng)CAP1400核島重大設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)研究課題通過(guò)了國(guó)家能源局正式驗(yàn)收。

“表明中國(guó)三代核電技術(shù)能力進(jìn)展喜人?！鄙虾Ｊ泻穗娹k公室教授級(jí)高級(jí)工程師夏春申告訴《上海國(guó)資》。

新突破

CAP1400是中國(guó)三代核電自主化的代表堆型,是在消化、吸收、全面掌握中國(guó)引進(jìn)的第三代先進(jìn)核電AP1000非能動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)再創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動(dòng)大型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組。示范電站由國(guó)家核電技術(shù)公司和中國(guó)華能集團(tuán)公司共同出資設(shè)立的國(guó)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(yùn)營(yíng),位于山東威海市榮成石島灣廠址,擬建設(shè)2臺(tái)CAP1400型壓水堆核電機(jī)組,設(shè)計(jì)壽命60年,單機(jī)容量140萬(wàn)千瓦。

夏春申介紹,CAP1400由中國(guó)200多家企事業(yè)單位20000多人經(jīng)過(guò)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(jìn)非能動(dòng)核電型號(hào)。跟AP1000相比,CAP1400對(duì)核反應(yīng)堆及所有主設(shè)備都進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)?！胺磻?yīng)堆、主設(shè)備、安全系統(tǒng)都經(jīng)過(guò)了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,不僅功率更大,同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)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(guó)內(nèi)基于世界先進(jìn)堆芯和燃料運(yùn)行與安全技術(shù)要求開(kāi)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(gè)階段,最終目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)自主化燃料的堆內(nèi)輻照考驗(yàn)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(shí)基礎(chǔ)。

CAP1400核島重大設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)研究課題,旨在通過(guò)理論分析、模擬計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(jì)技術(shù)。該課題通過(guò)驗(yàn)收,表明中國(guó)已完成CAP1400核島重大設(shè)備自主設(shè)計(jì)以及主泵總體設(shè)計(jì),系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了核島設(shè)備設(shè)計(jì)的自主化。

“這兩項(xiàng)進(jìn)展,將大為提升中國(guó)三代核電核島重大設(shè)備、關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化水平。不僅支撐自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)CAP1400核電技術(shù)的安全性和可靠性,增強(qiáng)國(guó)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(kāi)工建設(shè)和CAP1400‘走出去’奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”夏春申表示。

中國(guó)“心”

CAP1400核電是名符其實(shí)的中國(guó)“心”。

跟AP1000相比,CAP1400重新設(shè)計(jì)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(jì)可抗擊大型商用飛機(jī)撞擊的鋼板混凝土（SC）結(jié)構(gòu)屏蔽廠房、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)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(jì)。進(jìn)一步增強(qiáng)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(dòng)安全系統(tǒng)具備72小時(shí)后的補(bǔ)給能力。

為形成完全獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán),CAP1400在設(shè)計(jì)過(guò)程中,從核電站的總體設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)到試驗(yàn)驗(yàn)證、安全審評(píng)、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(lái)的挑戰(zhàn)。例如,為滿足凈功率1350MW的要求,CAP1400進(jìn)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(guó)產(chǎn)化絕不是簡(jiǎn)單地把圖紙、文件翻譯成中文就行了,國(guó)產(chǎn)化是自主的設(shè)計(jì)過(guò)程,而自主創(chuàng)新則每個(gè)階段都是攻堅(jiān)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(jì)院院長(zhǎng)、CAP1400總設(shè)計(jì)師鄭明光表示。

鄭明光告訴《上海國(guó)資》,為充分確保安全性,當(dāng)時(shí)國(guó)家核安全局對(duì)CAP1400所進(jìn)行的審評(píng)深度和范圍極其嚴(yán)格,來(lái)自業(yè)內(nèi)各方面近300位專家,對(duì)CAP1400開(kāi)展安全評(píng)審。

“核安全局超過(guò)260名工作人員參與到CAP1400審評(píng)中,在長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的時(shí)間內(nèi),針對(duì)5000多個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了多次對(duì)話。”

安全評(píng)審期間,鄭明光帶領(lǐng)一批經(jīng)驗(yàn)豐富的研發(fā)設(shè)計(jì)人員,對(duì)這5000多個(gè)問(wèn)題進(jìn)行逐一回答和澄清。最終,從傳統(tǒng)的文件審查,到專項(xiàng)審查、獨(dú)立審核計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證、獨(dú)立試驗(yàn),CAP1400的安全性得到了全方位的充分驗(yàn)證。

“CAP1400采用了非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)、非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的組合設(shè)計(jì)。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(shí)內(nèi)無(wú)需人工干預(yù),72小時(shí)后具備補(bǔ)給能力,安全性比二代核電提高兩個(gè)量級(jí)。”鄭明光說(shuō)。

非動(dòng)能技術(shù)通俗地來(lái)講,在異常情況下,比如說(shuō)地震,海嘯發(fā)生時(shí),如果機(jī)組被損壞或者被水淹沒(méi),能動(dòng)設(shè)備會(huì)失效。而非能動(dòng)技術(shù),依靠自然機(jī)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(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的16個(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)之一?！毕拇荷旮嬖V《上海國(guó)資》,在CAP1400自主研發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)研究。在設(shè)備制造上,上海有比較優(yōu)勢(shì)。

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(dòng)機(jī)構(gòu)、主泵及大型鑄鍛件。對(duì)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(guò)程中曾遇到了不少困難,試驗(yàn)過(guò)程中也出現(xiàn)一些問(wèn)題。”夏春申告訴《上海國(guó)資》,為了避免類似難題,國(guó)家核電技術(shù)公司對(duì)CAP1400關(guān)鍵設(shè)備安排了2—3家企業(yè)進(jìn)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(guó)凱士比KSB公司的濕繞組泵技術(shù)路線,“雙保險(xiǎn)”推進(jìn)。

2011年9月,國(guó)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(jì)評(píng)審工作,2014年2月，完成了樣機(jī)試驗(yàn)方案的評(píng)審工作。2014年9月3日,CAP1400示范工程濕繞組主泵樣機(jī)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(yàn)后,從德國(guó)漢堡港啟運(yùn)離港,當(dāng)年10月中旬到達(dá)上海電氣凱士比核電泵閥有限公司（SEC-KSB）并啟動(dòng)了工程試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。

“上海電氣凱士比核電泵閥有限公司采用德國(guó)技術(shù),加上相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證極為嚴(yán)格,目前看來(lái)會(huì)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(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站核島主設(shè)備的成套供應(yīng)商,核島主設(shè)備地國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到43%,其中堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩項(xiàng)占有90%以上。如果主泵上再獲突破,市場(chǎng)占有率有望繼續(xù)提升。