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從二代到三代,這個重大專項讓中國核電跨了一級

從二代到三代,這個重大專項讓中國核電跨了一級

16 個國家科技重大專項之一、歷時 9 年研發、國內近 200 家企業的 20000 名技術人員參與、構建起涵蓋 12 個關鍵技術領域的完整科學體系、形成新產品新工藝 179 項、編製完成併發布國際及行業標準 712 項、形成 704 個核心技術秘密、申請專利超過 2000 多項、國內 22 個世界先進試驗台架上完成 6 大試驗課題 17 項關鍵試驗共 887 個工況的獨立試驗驗證、首台機組設備國產化率超過 85%……

一串數字,數年磨礪。

自CAP1400重大專項實施以來,在引進、消化、吸收AP1000核電技術基礎上,國家核電堅持以「引進一項技術,實施一個專項,帶動一個產業」為己任,發揮科技創新對核電產業發展的支撐和引領作用,形成了三代核電技術創新組織管理體系和協同創新體系,構建了研發、設計、設備和材料製造、工程建設、運行管理的完整產業鏈。

「通過AP1000項目的建設和CAP1400的開發,核電行業整體水平實現了從二代向三代的跨越。」國家電投董事長王炳華說。

據王炳華介紹,CAP1400目前已通過國家能源局的型號設計評審和國家核安全局的安全審評,而且通過了IAEA通用反應堆安全評審。「位於山東榮成的CAP1400示範工程施工設計完成了96%,長周期設備研製完全滿足項目開工需求,現場準備工作順利,已經具備開工建設條件。」

文丨朱學蕊

能源報記者

全文約4000字 建議閱讀 8 分鐘

打造自主品牌

2006年,做出了引進美國AP1000第三代非能動先進核電技術,高起點實現核電自主化發展的戰略決策。同時,為做好引進、消化、吸收、再創新工作,大型先進壓水堆核電站列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》,成為16個國家科技重大專項之一。2008年2月15日,國務院常務會議審查並通過了大型先進壓水堆核電站重大專項總體實施方案。

CAP1400示範工程效果圖

AP1000自主化依託項目是成功引進技術的標誌性工程, CAP1400/1700示範工程是全面自主創新的標誌性工程,作為推進三代核電自主化的實施主體、主要載體和研發平台,國家核電成立后便明確了肩負的國家使命,開啟了創業征程。

大型先進壓水堆重大專項總設計師、國家核電副總經理、上海核工程研究設計院院長鄭明光告訴記者,實施重大專項的總體目標,首先是掌握AP1000技術,其次要突破關鍵技術並開發CAP1400先進核電技術型號,並預研CAP1700。之後,要完成CAP1400示範工程建設,推進批量化發展,並形成核電可持續發展的體系與機制,使人才隊伍、技術研發、試驗驗證、設計分析軟體、核電標準及知識產權、設備製造等達到與趕超國際先進水平。

然而,從AP1000到CAP1400,看似只多出一個字母、只有一個數字之差,卻是一次艱辛的跨越。

2007年底,國家核電將CAP1400反應堆功率初定為373萬千瓦,然而限於當時國內的製造業水平,專家認為主泵、安全殼、蒸汽發生器應依舊參照AP1000,設計基本保持不變,只將堆芯的燃料組件從157組變成193組。但是,這種提升功率的方式因提升功率不大而很快被否定。2009年,西屋公司提出,如果CAP1400功率只有373萬千瓦,毛功率和凈功率就只有約140萬千瓦和130萬千瓦,沒有突破技轉合同關於中方具備自主知識產權的條款。

面對知識產權門檻,唯有革命性的、更大幅度的改變。

2010年,作為設計方的國家核電上海核工程研究設計院開展科研攻關,將CAP1400反應堆功率從373萬千瓦提至404萬千瓦,並且優化所有參數:燃料組件從157變成193,冷卻劑平均溫度提升3.1℃,一迴路主管道流通面積增加30%,主泵流量增加21%以上,蒸汽發生器U型管由原來的10025根增加到12606根、整體流通面積增加25.7%,汽輪機末級葉片長度增大到1.828米。安全殼直徑從39米擴至43米,安全殼厚度從45毫米增加到52毫米。每一個數字的改變,都意味著通宵達旦的計算分析,大量的研究論證,飽含著科技工作者們辛勤的勞動與卓絕的智慧。

CAP1400示範工程現場鳥瞰圖

有了這些改變,CAP1400的凈電功率大於135萬千瓦,成為目前世界上功率最大的非能動壓水堆核電型號,而且在安全性、經濟性和環境相容性上有了進一步提升,滿足世界最新核安全標準,達到了世界領先水平。

「壓水堆重大專項的核心是開發出具有自主知識產權的CAP1400大型先進壓水堆核電技術,建成CAP1400示範電站。」國家核電上海核工程研究設計院院長鄭明光說,「引進技術必須要面對自主知識產權門檻,只有邁過去,完成創新和超越,才能兌現當年向黨中央國務院作出的『引進技術以後不再落後』的承諾」。

2014年12月,CAP1400通過了核電發展史上範圍最廣和程度最深的一次安全審評。

2015年11月,專利保護協會對CAP1400知識產權專題做出評審:「CAP1400技術是依託『大型先進壓水堆核電站重大科技專項』開發的三代先進核電技術,中方具有完全自主知識產權和出口權。」

2016年4月,CAP1400通過國際原子能機構通用安全評審,審查認為其總體達到IAEA安全法規標準的最新要求。

從展品到產品

2012年,國家核電專家委員會專家郁祖盛在「首屆三代核電AP/CAP合格供應商年會」上向國內裝備製造企業拋出一個現實又尖銳的問題:樣件做得好,一旦批量化就完蛋!而參會的國外同行也認為,企業突破技術難關可以,但只會做展品而做不出產品。

一重副總裁王寶忠當時坦言,AP1000主設備採用大型鑄鍛件整體製造技術,製造工藝難度較大,一重在三門1號和海陽1號機組的核電鍛件製造上就曾出現過不合格、廢品率高等問題。

而五年之後,一重做出的鍛件用在了三門1號、海陽1號兩台AP1000機組上,批量化生產三代核電鍛件的能力已經具備。

「在與國家核電共同推動三代核電自主化進程中,一重規模不斷壯大,全面掌握了AP1000核島及常規島鑄鍛件製造技術,實現了鑄鍛件的批量化生產,反應堆壓力容器等主設備製造也取得了突破性進展,具備了批量生產三代核電鑄鍛件及核島主設備的能力,裝備能力、技術水平顯著提升。」王寶忠說。

國家核電設備與燃料部總經理張樹軍告訴記者,通過重大專項的實施和大鍛件研製成功,鍛件製造企業設計分析、試驗能力大幅提升,CAP1400關鍵設備大鍛件都實現了國產化,產品性能接近或達到世界領先水平,打破了國際上對三代核電大鍛件的壟斷。「目前,核島、常規島關鍵設備的大型鍛件均實現了國內供應,鍛件價格比國外造價降低40%以上。」

而多年依靠進口的焊材、管材,更是在民營企業實現了自主化生產。

CAP1400汽輪機低壓轉子蓋缸成功

據了解,在國家科技重大專項「核電設備用焊接材料研製」中,上海核工程研究設計院聯合四川大西洋焊接材料股份有限公司、機械科學研究院哈爾濱焊接研究所等焊接企業,自主創新完成全部20種核電焊接材料的研製,覆蓋三代核電設備製造及現場安裝的低合金鋼、不鏽鋼及鎳基合金焊接材料。

產品已在CAP1400、AP1000系列核電工程及軍工核電工程應用,填補了國內空白的同時,降低了核電焊接材料30%-50%的採購成本。浙江久立、江蘇寶銀分別完成了CAP1400蒸汽發生器用Inconel 690傳熱管國產化研製工作,打破國際巨頭壟斷,國產產品應用性能指標滿足技術要求,並達到國外同類產品水平,而且價格同比國外造價降低30%以上。

張樹軍告訴記者,歷經近十年的重大專項技術攻關,通過CAP1400示範工程設備的研製,CAP1400設備(材料)實現了由「國產化」向「自主化」提升,關鍵設備由國內完成自主研發設計、自主製造和自主試驗驗證。「更實現了由『國產整機供貨』進一步向『國產原材料供應保障』延伸,不但實現整機向國內企業採購,鋯材、大型鍛件、大型鋼板、蒸汽發生器用傳熱管等關鍵原材料也均由國內企業自主供貨。

同時,國產化範圍實現了從機械類設備到電氣儀錶類設備全覆蓋。首批機組設備總體國產化率將超過85%,後續機組將達到90%以上,餘下的10%是國際上價格合理的通用設備。換句話說,已不存在『受制於人』的問題。」

「目前國內企業掌握了屏蔽電機主泵、數字化儀控保護系統、反應堆壓力容器、蒸汽發生器等40餘項關鍵設備技術,成功研製出超大型鍛件、核級鋯材、核級焊材等60餘項關鍵材料,符合國際先進標準要求的三代核電產業鏈基本形成,也帶動了基礎工業和裝備製造業的產業升級。」郁祖盛說。

走向國際市場

CAP1400的開發凝聚著創新和合作,更讓核電站上了世界舞台。

鄭明光告訴記者,通過重大專項,不僅開發出型號,研發出設備,更培養了隊伍。「重大專項實施過程中,合作體系、人才教育培養特別要強調『國際視野、領先水平』。原來只講填補國內空白是遠遠不夠的,重大專項的成果要經得起歷史的檢驗,經得起經濟性的競爭,保證技術的可持續發展,達到國際領先水平。」

首台CAP1400壓力容器水壓試驗一次成功

據了解,除了硬體設備外,國家核電還自主開發了先進核電設計軟體CONSINE,而且與美國洛克希德·馬丁公司聯合研發的新一代反應堆保護系統平台NuPAC通過了兩國核安全監管當局的驗證。

「通過技術轉讓、設備國產化、重大專項研發,國內設計、製造企業已掌握ASME、IEEE等國際標準,全面掌握核島主設備的製造工藝和質量管控手段,具備年產6-8台(套)核島主設備的能力,形成面向全球、中外共享的三代核電裝備供應鏈體系。」鄭明光說,「此外,構建了核電設備鑒定平台和體系;建立了三代核電標準體系;增強了核電安全評審的軟硬體能力,提升了核安全監管水平;培養和鍛煉了一支人才隊伍,為核電可持續創新提供了支撐。這些都是國家能力。」

而隨著型號研發成功,以及產業能力的整體提升,CAP1400作為自主品牌已在國際核電市場嶄露頭角,南非、土耳其、保加利亞和英國的市場開拓正在推進中。

據了解,CAP1400目前獨立開發南非市場,國家核電投標工作已經準備兩年多,已組織完成本地化調研等各項準備工作,其提出的「CAP1400技術+本地化+投資+人才培養」整體解決方案得到南非高度認可。此外,國家核電與西屋公司聯合開發土耳其市場,已經提交項目開發報告,三方已就開展項目前期可行性研究工作達成一致。同時,已經針對英國市場開展了相關調研和研究工作。

就產業「抱團出海」,鄭明光認為,國家核電的合格供應商體系已經建立,這個體系代表的是核電產業的能力,因此要求供應商有完整的管控質量保證體系、完整的人才隊伍、完整的技術體系和先進的技術工具、有業績有產品、具備滿足當地與國際法規標準要求的評估報告、技術上能夠持續投入和發展,CAP1400「走出去」合作的供應商要以這七個指標考核能力和資質。

張樹軍表示,最近幾年CAP1400去國外參展都會邀請國內製造企業一同亮相,以體現核電產業的整體實力。未來核電技術出口,將根據目標國的具體情況,更多以招標形式與設備企業進行合作。本地化、生產能力弱的國家,民營企業參與程度更高一點;本地工業基礎較好,國產化能力較強的國家,可能就只帶一些關鍵設備企業。

「未來我們想打造CAP1400走出去產業聯盟,該聯盟要跟著項目走,以此帶動更多國內企業走向國際市場。」張樹軍說。

End

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出品 | 能源報(ID:cnenergy)

責編 |盧奇秀

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