季天也

4月29日，我國(guó)首臺(tái)搭載第三代核電技術(shù)APIOOO的浙江三門核電廠1號(hào)機(jī)組，完成了157組全新燃料組件的裝載。這標(biāo)志著歷經(jīng)9年，我國(guó)三代核電自主化依托項(xiàng)目APIOOO獲得各方認(rèn)可，全球首臺(tái)APIOOO核電機(jī)組終于進(jìn)人帶核調(diào)試運(yùn)行階段。同樣搭載APIOOO機(jī)組的山東海陽(yáng)核電廠一期工程（1號(hào)、2號(hào)機(jī)組）也完成了裝料前的準(zhǔn)備工作。APIOOO機(jī)組作為第三代核電技術(shù)，其先進(jìn)之處體現(xiàn)在哪些地方？其安全性對(duì)比以前的核電技術(shù)有哪些質(zhì)的提升？前不久《環(huán)境與生活》雜志記者采訪了三門核電廠和海陽(yáng)核電廠，對(duì)這項(xiàng)技水做了一番了解。

四“桶”水確保反應(yīng)堆冷卻

《環(huán)境與生活》雜志記者年初曾到訪浙江三門核電廠和山東海陽(yáng)核電廠，這兩座核電廠各自規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，其中一期工程各有兩臺(tái)機(jī)組（即1號(hào)、2號(hào)機(jī)組）采用美國(guó)西屋公司研發(fā)的第三代核電技術(shù)AP1000。它們是中國(guó)自主核電技術(shù)AP1000三代核電技術(shù)引進(jìn)消化吸收的標(biāo)志性項(xiàng)目，承擔(dān)中國(guó)核電自主化的重任。兩座核電站在上世紀(jì)80年代我國(guó)民用核電發(fā)展的起步階段，就被確定為優(yōu)選廠址。

第三代核電技術(shù)AP1000的發(fā)電原理、基本格局，與目前成熟的第二代壓水堆核電廠其實(shí)是一個(gè)套路，即利用核燃料的能量“燒水發(fā)電”：核電廠有兩套獨(dú)立的冷卻水循環(huán)回路，核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)觸發(fā)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生大量熱能，把一回路的水“燒”到高溫高壓狀態(tài)，在主泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入蒸汽發(fā)生器中的U型管，通過管壁傳熱，把二回路的冷水加熱成蒸汽。這樣一回路水就變涼了，被主泵送回反應(yīng)堆再次加熱，開始下一次循環(huán)；二回路的蒸汽則推動(dòng)汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。一回路設(shè)備和部件所在的廠房叫核島，二回路所在廠房叫常規(guī)島。

既然發(fā)電套路都差不多，作為新一代核電技術(shù)的AP1000究竟好在哪兒呢？第三代核電技術(shù)相比第二代的重要革新，就是預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的能力大大加強(qiáng)。核燃料特殊之處在于反應(yīng)堆即使停止運(yùn)行，它也不能像其他燃料一樣熄火后就漸漸冷卻。核燃料中放射性物質(zhì)的衰變，足以讓反應(yīng)堆在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)“不忘初心”地持續(xù)發(fā)揮余熱，叫做“衰變熱”。假如發(fā)生全廠斷電情況，燃料棒和冷卻水就無(wú)法循環(huán)換熱，此時(shí)的反應(yīng)堆壓力容器就好比一口裝著水持續(xù)加熱又不開閥泄氣的高壓鍋。

為避免堆芯因不斷升溫而熔毀，繼而引發(fā)核事故，AP1000機(jī)組設(shè)計(jì)了4套應(yīng)急水源裝置來確保反應(yīng)堆的冷卻，分別是兩個(gè)容積均為70 8立方米的堆芯補(bǔ)水箱，用于較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)向堆芯注入較大的水流量；兩個(gè)容積均為56.6立方米的安全注射箱，用于在幾分鐘內(nèi)為堆芯快速、大量注水；一個(gè)容積為2092立方米的內(nèi)置換料水箱，用于細(xì)水長(zhǎng)流地冷卻堆芯；兩個(gè)位于核島廠房頂部的安全殼冷卻水箱，總?cè)莘e近2900噸，用來噴淋下方的鋼制安全殼（類似鍋蓋），從而為殼內(nèi)降溫減壓。

事故應(yīng)急3天不用人

記者在參觀時(shí)了解到，除安全殼冷卻水箱外，其他3套水源均含有不同濃度的硼元素，可吸收中子降低核反應(yīng)速度。這4處冷卻水源的位置都比它們要冷卻的部位高，而且整套安全系統(tǒng)不靠電力或其他外界能源驅(qū)動(dòng)，完全利用重力和壓力差等天然物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水，在事故后的72小時(shí)內(nèi)，不需要任何人為干預(yù)就能確保反應(yīng)堆和整座核電廠的安全，所以叫“非能動(dòng)安全系統(tǒng)”，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

西屋公司對(duì)AP1000的設(shè)計(jì)理念主張“做減法”。雖然現(xiàn)役的第二代或第二代改進(jìn)型機(jī)組也可以實(shí)現(xiàn)同樣的安全功能，但只能走“加法”路線：一套安全系統(tǒng)不夠就再加第二套，還不夠再加第三套。當(dāng)然，加上去的仍然是能動(dòng)的安全系統(tǒng)，需要有電或者其他能源維持它的功能。

在參觀兩座核電廠的過程中，記者了解到，AP1000的閥門、泵、管道和電纜這4類構(gòu)件的總量，比第二代或第二代改進(jìn)型機(jī)組分別減少了50%、36%、83%和70%，可以有效減少設(shè)備的損壞率和故障率，對(duì)于縮短核電廠建設(shè)周期、減少維修項(xiàng)目和確保長(zhǎng)期可靠性都是有利的。

極端事故也要保證主控室

記者還參觀了三門核電廠的模擬主控室和海陽(yáng)核電廠1號(hào)機(jī)組的主控室。主控室是核電機(jī)組的“最強(qiáng)大腦”，核電站運(yùn)行操作的每一個(gè)指令都是從主控室里發(fā)出，決定著核電機(jī)組的每一個(gè)零部件運(yùn)行狀態(tài)。

主控室位于核島廠房?jī)?nèi)。和參觀核電廠主廠區(qū)其他地方一樣，記者要在參觀申請(qǐng)得到許可后，經(jīng)過一系列安檢，并由工作人員陪同、授權(quán)后才能進(jìn)去。

主控室內(nèi)的工作臺(tái)上擺著一排電腦，十幾塊大屏幕高掛在墻上，顯示著各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)、圖表和符號(hào)。進(jìn)門需要套上鞋套，并且禁止拍照。核電廠操縱員就是在這里確保核電廠穩(wěn)定運(yùn)行和應(yīng)急安全的。操縱員被譽(yù)為管理主控室這個(gè)“最強(qiáng)大腦的黃金人”。

走訪中，記者了解到，截至2017年12月，三門核電廠培養(yǎng)了73名操縱員（取得RO執(zhí)照才可當(dāng)操縱員），40名高級(jí)操縱員（取得SRO執(zhí)照），滿足1號(hào)機(jī)組裝料和后續(xù)啟動(dòng)工作的需要。海陽(yáng)核電廠共有167名操縱員，其中42人為高級(jí)操縱員，另有7人正在申請(qǐng)操縱員執(zhí)照。一個(gè)應(yīng)屆本科畢業(yè)生從參加工作開始，需要長(zhǎng)達(dá)8～10年的不斷學(xué)習(xí)和培訓(xùn)才能考取RO執(zhí)照。

除了利用電腦操作，主控室的操作臺(tái)上還設(shè)置了各種實(shí)體按鈕和開關(guān)，有安全級(jí)的，有非安全級(jí)的。萬(wàn)一軟件操作出現(xiàn)故障，還有物理按鈕能控制，有保障，體現(xiàn)了核安全機(jī)制的多樣性和縱深防御原則。假如不幸發(fā)生事故，核電操縱員“必須堅(jiān)守在主控室，就像一艘船的船長(zhǎng)”。

為了確保在事故狀態(tài)下主控室的環(huán)境還能允許操縱員正常工作，核電廠有一套“主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)”，包括水、食物、壓縮空氣儲(chǔ)存罐、非能動(dòng)熱阱（熱阱即排除余熱的場(chǎng)所）。這套系統(tǒng)可以確保在72小時(shí)內(nèi)，在11個(gè)人（即操縱員）值守的主控室里，溫度升高不超過8.3攝氏度，二氧化碳濃度不超過0.5%。

壽命提升50%與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步

不少人還有這樣的疑慮：AP1000作為新一代核電技術(shù)，目前還沒有經(jīng)過商業(yè)運(yùn)行考驗(yàn)，到底靠不靠譜？記者在參觀時(shí)與兩座核電廠的技術(shù)人員交流，了解到，AP1000的蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、汽輪機(jī)、燃料組件、反應(yīng)堆壓力容器等等，在原來的電站中已經(jīng)反復(fù)用了幾十年了，相關(guān)參數(shù)變化不大，用的完全是經(jīng)過長(zhǎng)期驗(yàn)證的成熟技術(shù)。“創(chuàng)新”除了最主要的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，還用到了爆破閥，以及主泵的類型從軸封泵改為屏蔽泵。這兩種設(shè)備，在研制過程中同樣經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)，考慮了它們?cè)谖磥?0年運(yùn)行過程中可能遇到的各種工況，已經(jīng)充分驗(yàn)證了它們的可靠性。

引進(jìn)AP1000是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，不僅僅是建了4臺(tái)機(jī)組，還有我國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的過程。AP1000作為第三代核電技術(shù)有一些重要特征，比如60年的壽期，原來的技術(shù)都是40年，從40年到60年是一個(gè)跨越。對(duì)它的引進(jìn)和再創(chuàng)新，可以幫助國(guó)內(nèi)企業(yè)熟悉并掌握美國(guó)“阿斯米”（ASME，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，克服過去對(duì)這套規(guī)范的理解障礙。第三，在這些關(guān)鍵設(shè)備的背后，其實(shí)是我國(guó)重型裝備制造業(yè)提供的一系列支撐，有些設(shè)備代表著我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)的制造水平。

依托這幾臺(tái)機(jī)組的建設(shè)以及我國(guó)對(duì)AP1000的消化吸收過程，幾個(gè)問題得到了解決。第一，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了從二代設(shè)備到三代設(shè)備的“制造能力”跨越，建立了每年6～8臺(tái)套的設(shè)備供應(yīng)能力，而且不只是一家單位有這個(gè)能力。目前沒有哪個(gè)國(guó)家能做到這點(diǎn)，只有中國(guó)能做到，這是引進(jìn)AP1000的一個(gè)功勞。

首批4臺(tái)AP1000機(jī)組中，三門—號(hào)機(jī)組——第一臺(tái)AP1000國(guó)產(chǎn)化率是31.1%，海陽(yáng)一號(hào)機(jī)組是44.4%，三門二號(hào)機(jī)組是71.8%，海陽(yáng)二號(hào)機(jī)組是72%，平均是55%。

第二，就是幫國(guó)內(nèi)企業(yè)熟悉掌握了美國(guó)的阿斯米（ASME）標(biāo)準(zhǔn)（詳見本文《環(huán)境百科》）。我國(guó)建立了阿斯米標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)工作組，推動(dòng)阿斯米標(biāo)準(zhǔn)融入我國(guó)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系里，時(shí)我國(guó)在核電方面的標(biāo)準(zhǔn)與世界接軌、同步，意味著國(guó)產(chǎn)設(shè)備出口到別的國(guó)家，用中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)未必被接受，但如果滿足阿斯米標(biāo)準(zhǔn)他們就容易接受。

模塊化建造省時(shí)間

第三，我國(guó)核電行業(yè)做了大量研究工作，大大促進(jìn)了基礎(chǔ)工業(yè)的提升。相比以前的技術(shù)，第三代核電技術(shù)的生產(chǎn)工藝和制造方法也在變。據(jù)了解，在AP1000機(jī)組上，焊的東西少了，拿螺絲擰的東西少了，卷板、鑄造的東西少了，原來有接頭的地方現(xiàn)在沒了。許多主設(shè)備的加工工藝正在用鍛造逐步取代鑄造。鑄造工藝是一種金屬熱加工工藝，就是把高溫的液態(tài)金屬澆鑄到模子中，待其冷卻凝固成型。澆鑄過程中可能會(huì)留有孔隙或者氣泡，可能成為小隱患。而鍛造工藝能優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，讓材料更致密，避免這種缺陷。因?yàn)闆]有了焊縫、鑄態(tài)疏松問題，同樣材料的鍛造件，強(qiáng)度、疲勞特性（影響使用壽命）等機(jī)械性能都明顯優(yōu)于鑄造件和焊接件。

AP1000的另一個(gè)亮點(diǎn)是“模塊化建造”：大量的生產(chǎn)和制造工作在工廠里完成，再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)像搭積木一樣拼裝起來，實(shí)現(xiàn)土建和安裝同步進(jìn)行。模塊化建造有幾大好處。

比如，大大降低了核電項(xiàng)目的施工難度，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工人數(shù)，相比建設(shè)二代核電廠縮短了建設(shè)周期，有專家預(yù)計(jì)甚至可縮短近一半工期。另外，通用零件批量生產(chǎn)，有助于降低工程造價(jià)。此外，工廠車間的作業(yè)條件比現(xiàn)場(chǎng)施工優(yōu)越得多，產(chǎn)品的質(zhì)量和耐用性會(huì)因此提升而且更可控。還有，事后運(yùn)行和維修的工作量會(huì)大幅減少，維修成本下降。