記者6月25日從國家電力投資集團有限公司科技成果發(fā)布會(huì )上海核工程研究設計院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海核工院”)專(zhuān)場(chǎng)了解到，在國和一號(CAP1400)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，已形成新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新裝置等392項，形成知識產(chǎn)權4699項，形成行業(yè)、企業(yè)標準近200項。這組數字的背后，是中國核電行業(yè)數年的磨礪。
“這其中的很多材料和裝置原本都需要進(jìn)口。通過(guò)重大專(zhuān)項的實(shí)施，這些產(chǎn)品和材料基本實(shí)現了國產(chǎn)化。對于我國可能出口核電的國家和地區，我們也相應申請了國外專(zhuān)利，確保將來(lái)走得出去。”國家科技重大專(zhuān)項“大型先進(jìn)壓水堆核電站”總設計師、上海核工程研究設計院院長(cháng)鄭明光在發(fā)布會(huì )上表示，國和一號/CAP1400的自主設計和開(kāi)發(fā)帶動(dòng)了國內制造業(yè)體系的躍升。
一個(gè)國家的核電實(shí)力強不強，首先要看有沒(méi)有自主設計能力。若不具備自主設計能力，只能是盤(pán)桓在中低端水平的翻版或觸及侵權紅線(xiàn)。核電站屬于安全標準極高、系統復雜且精密的超級工程，自主型號研制不可能是一路坦途。鄭明光此前接受專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)曾回憶說(shuō)，核電安全標準的大大提高，對整個(gè)設備的可靠性設計、系統的可靠性設計都是極大的考驗。再加上，彼時(shí)中國的裝備制造業(yè)尚難以滿(mǎn)足國和一號/CAP1400的要求，圍繞型號的創(chuàng )新目標，設計方與制造方需要“跳一跳才夠得著(zhù)”。
回顧10年前，參照三代核電的設計規格書(shū)，國內沒(méi)有一家裝備企業(yè)能完整有效地制造出三代核電設備，通過(guò)引進(jìn)三代核電AP1000自主化依托項目、國和一號/CAP1400重大專(zhuān)項及其他三代核電項目的拉動(dòng)，國內培育出全產(chǎn)業(yè)鏈的三代核電設備供應能力，中國核電裝備實(shí)現了從二代到三代的重大跨越。反過(guò)來(lái)，得益于關(guān)鍵設備國產(chǎn)化、大容量和簡(jiǎn)化系統、模塊化建造等特點(diǎn)，當前世界最大的非能動(dòng)壓水堆核電站國和一號/CAP1400的經(jīng)濟性格外突顯，肩負著(zhù)中國核電技術(shù)出海、帶動(dòng)中國核電裝備“走出去”的使命。
重大專(zhuān)項培育核電關(guān)鍵設備國產(chǎn)化
鄭明光在發(fā)布會(huì )上介紹稱(chēng)，國和一號/CAP1400的開(kāi)發(fā)屬于“高起點(diǎn)再創(chuàng )新”，它基于中國50年的核電廠(chǎng)研發(fā)、設計和工程經(jīng)驗，基于中國44個(gè)機組20多年的安全建設和運行經(jīng)驗，基于A(yíng)P1000技術(shù)的消化吸收，也基于A(yíng)P1000依托項目的建設經(jīng)驗。
2006年11月，國家決定引進(jìn)美國西屋公司AP1000技術(shù)。浙江三門(mén)核電站和山東海陽(yáng)核電站共4臺機組被確定為中國三代核電自主化依托項目，2009年開(kāi)始相繼開(kāi)工，并于2018年底、2019年初相繼并網(wǎng)發(fā)電。
2008年2月15日，國務(wù)院常務(wù)會(huì )議正式通過(guò)壓水堆重大專(zhuān)項總體實(shí)施方案，并將CAP1400的研發(fā)和示范工程建設列為重大專(zhuān)項的重點(diǎn)任務(wù)，由AP1000的技術(shù)受讓方國家
核電技術(shù)公司牽頭，實(shí)行產(chǎn)學(xué)研結合，廣泛吸收有關(guān)單位共同攻關(guān)。
基于A(yíng)P1000技術(shù)，CAP1400型號在確定之初就被定位為：安全性不低于A(yíng)P1000、經(jīng)濟性好于A(yíng)P1000，整體設計壽命60年。其中，“C”為“中國”英文單詞的首字母，“A”、“P”分別代表“先進(jìn)(Advanced)”和“非能動(dòng)(Passive)”英文單詞的首字母，CAP1400的含義即為中國裝機容量為140萬(wàn)千瓦的先進(jìn)非能動(dòng)核電技術(shù)，2018年這一型號的中文名被確定為“國和一號”。國和一號/CAP1400采用非能動(dòng)安全系統，機組設計壽命60年，換料周期18個(gè)月，機組可利用率約93%，滿(mǎn)足目前世界上最嚴格的安全標準。
面對西屋公司提出的“135萬(wàn)千瓦自主知識產(chǎn)權凈功率紅線(xiàn)”，中方設計團隊唯有對國和一號/CAP1400進(jìn)行革命性的、更大幅度的創(chuàng )新。通過(guò)擴大安全殼直徑、增加蒸汽發(fā)生器流通面積等一系列根本性創(chuàng )新，國和一號/CAP1400的設計較AP1000開(kāi)辟了另一片新天地：比如，采用反應堆系統性低壓損設計，流量增加了21%，揚程降低5%;堆芯方案從AP1000的157盒燃料組件變成了193盒燃料組件;蒸汽發(fā)生器提高傳熱效率，自主設計了汽水分離裝置和新型蒸汽限流器;反應堆壓力容器減少了焊縫;堆內構件取消了中子屏蔽板和流量分配裙，增加了吊籃剛度等等。
在頂層設計革新的基礎上，新的核電型號離不開(kāi)新設備的支撐。三代核電更高的安全標準要求、技術(shù)標準要求、技術(shù)參數要求對國內設備廠(chǎng)商的軟硬件能力提出了新的挑戰，當時(shí)國產(chǎn)化設備的制造能力還未達到能制造如此大功率設備的水平。“2007年、2008年，當時(shí)我們以三代核電的設計規格書(shū)請制造企業(yè)生產(chǎn)設備，當時(shí)國內沒(méi)有一家企業(yè)能完整有效地制造出三代核電設備。”鄭明光回憶道。在此番時(shí)境下，一場(chǎng)設計方與設備方形成創(chuàng )新聯(lián)合體進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的長(cháng)跑隨之啟動(dòng)。
在發(fā)布會(huì )上，上海核工院工程設備所副所長(cháng)矯明分享了幾個(gè)三代核電關(guān)鍵設備和材料的國產(chǎn)化案例。核島關(guān)鍵設備價(jià)格往往高達幾千萬(wàn)到數億元不等，重達幾百?lài)嵔咏锨?，對設計制造能力及制造商對于設計圖紙的理解能力的要求都非常高。
反應堆壓力容器是承載反應堆的核心設備、要求60年不可更換，設計壽命要求非常高。減少主環(huán)路的焊縫，可以大大提高核電技術(shù)安全性并減少運維時(shí)間，因此，國和一號/CAP1400創(chuàng )新性地采用了整體鍛造頂封頭管嘴和一體化底封頭。相比于堆焊，一體化焊件對制造廠(chǎng)裝備配套能力的要求又上了一個(gè)臺階。
功能類(lèi)似于高壓鍋密封圈的反應堆壓力容器O型密封環(huán)，曾幾何時(shí)是國外采購經(jīng)常被禁運的設備。“密封”是核電運行和事故狀態(tài)下防止泄漏的第一關(guān)，這種零部件對龐大的核電站來(lái)說(shuō)看似微小，但曾是真正的“卡脖子”環(huán)節，O型密封環(huán)更是整個(gè)核電密封系統中最復雜、最重要的密封，從國外購買(mǎi)的價(jià)格高達幾百萬(wàn)。該設備的國產(chǎn)化是國和一號/CAP1400研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)急需突破的難題。為此，上海核工院和和寧波天生密封件有限公司聯(lián)合成立了核電密封聯(lián)合研究中心，經(jīng)過(guò)多年研制打破了國外壟斷，國產(chǎn)化后產(chǎn)品價(jià)格約為三四十萬(wàn)元。
類(lèi)似的由工程需求牽引出設備技術(shù)需求、設計方提出研制方案，設計方與制造方聯(lián)合攻克的關(guān)鍵設備和材料還包括大型鑄鍛件、蒸發(fā)器690合金傳熱管、焊接材料等等。為降低設備研制風(fēng)險并培育良性的競爭氛圍，國和一號/CAP1400在開(kāi)展設備研制及國產(chǎn)化過(guò)程中，對蒸汽發(fā)生器、壓力容器、主泵、主管道等關(guān)鍵設備均安排2-3家廠(chǎng)家進(jìn)行培育，目前設備的國產(chǎn)化率已超過(guò)85%，可進(jìn)一步達到90%以上。其余10%是可以國際采購的通用設備，目前沒(méi)有特別受制于人的物項。
在國和一號/CAP1400等三代核電技術(shù)的帶動(dòng)下，國內各大制造企業(yè)完成了從不會(huì )到會(huì )、裝備制造能力從二代核電到三代核電的躍升，這同時(shí)支撐了如先進(jìn)小堆等國內核電型號的開(kāi)發(fā)。
當前，國內已具備年產(chǎn)10臺套以上的核電裝備制造能力，位居全球第一。一位國內一線(xiàn)裝備制造企業(yè)高管對澎湃新聞介紹，在這個(gè)過(guò)程中，中國企業(yè)的裝備能力在一些機械加工設備和重要工具工裝上已達到世界頂尖水平。中國裝備制造業(yè)的軟實(shí)力也得以提升，項目與技術(shù)管理也得以?xún)?yōu)化，人員隊伍的能力素養得到了進(jìn)一步歷練。
做“減法”的簡(jiǎn)化設計，經(jīng)濟性富有競爭力
為保障核電機組的安全，國和一號/CAP1400在A(yíng)P1000基礎上進(jìn)一步提升了安全裕量：采用了非能動(dòng)安全系統，利用物質(zhì)的儲能、重力、對流、蒸發(fā)、冷凝等自然力，不依賴(lài)外部電源，能確保反應堆安全和余熱導出，事故后操縱員可不干預時(shí)間從“二代加”核電技術(shù)的30分鐘提高到72小時(shí);堆芯損傷頻率和大量放射性物質(zhì)釋放頻率較美國核電用戶(hù)要求文件限值低一個(gè)量級;具有系統性的嚴重事故預防和緩解措施;屏蔽廠(chǎng)房采用先進(jìn)的鋼板混凝土結構，具備抗大型商用飛機惡意撞擊的能力等。
在此基礎上，國和一號/CAP1400還充分落實(shí)了福島事故后核安全的增強要求，包括提高縱深防御系統的抗震能力與電源可靠性，提高電廠(chǎng)抵御極端外部事件的能力，強化事故72小時(shí)后冷卻水和電力的供應能力，強化電廠(chǎng)應對超設計基準事故的能力等等。
在保證高安全性的前提下，現如今核電作為電力商品的屬性正在凸顯，作為“電”的經(jīng)濟性，是決定核電在全球電力市場(chǎng)中競爭性的重要指標。據澎湃新聞了解，上海核工院曾經(jīng)做過(guò)測算，國和一號/CAP1400批量化建造之后，倒推出的每千瓦時(shí)電價(jià)約為0.35至0.38元，頗具競爭力。
鄭明光對澎湃新聞表示，國和一號/CAP1400經(jīng)濟性?xún)?yōu)于A(yíng)P1000。一方面來(lái)源于機組效能、發(fā)電規模，另一方面是設備國產(chǎn)化之后具備更強的競爭力。因為設備的產(chǎn)業(yè)鏈是由多家制造企業(yè)構成，所以設備國產(chǎn)化、自主化后價(jià)格比引進(jìn)設備便宜，同時(shí)促進(jìn)了經(jīng)濟性的提高，這主要是來(lái)自于系統性能的增強，系統效率的提高，經(jīng)濟價(jià)格的合理。
最為核心的是，國和一號/CAP1400采用簡(jiǎn)化設計和模塊化設計，用做“減法”的思路，把設備結構簡(jiǎn)單化，采用“非能動(dòng)”原理，緊急情況下不需要使用交流電源，僅僅依靠重力、熱循環(huán)和冷凝等自然手段作為動(dòng)力排出余熱。與二代核電相比，國和一號/CAP1400的閥門(mén)數量減少了80.4%、泵的數量減少92.3%、管道數量減少58.5%、電纜數量減少了48.6%，在提高經(jīng)濟性的同時(shí)，更便于運行和維護。同時(shí)，基于A(yíng)P1000依托項目的經(jīng)驗反饋，國和一號/CAP1400進(jìn)一步優(yōu)化了模塊化建造技術(shù)，批量化建造后核電項目的建造周期可至48個(gè)月，這大大少于目前國際主流核電機組工期。對于資金密集型核電產(chǎn)業(yè)而言，工期縮短的重要意義不言而喻。
