从二代到三代,这个重大专项让中国核电跨了一级

核电,

16个国家科技重大专项之一、历时 9年研发、国内近200 家企业的 20000 名技术人员参与、构建起涵盖 12 个关键技术领域的完整科学体系、形成新产品新工艺 179项、编制完成并发布国际及行业标准 712项、形成704个核心技术秘密、申请中国专利超过 2000 多项、国内22 个世界先进试验台架上完成 6 大试验课题17 项关键试验共 887 个工况的独立试验验证、首台机组设备国产化率超过 85%……

一串数字,数年磨砺。

自CAP1400重大专项实施以来,在引进、消化、吸收AP1000核电技术基础上,国家核电坚持以“引进一项技术,实施一个专项,带动一个产业”为己任,发挥科技创新对核电产业发展的支撑和引领作用,形成了三代核电技术创新组织管理体系和协同创新体系,构建了研发、设计、设备和材料制造、工程建设、运行管理的完整产业链。

“通过AP1000项目的建设和CAP1400的开发,中国核电行业整体水平实现了从二代向三代的跨越。”国家电投董事长王炳华说。

据王炳华介绍,CAP1400目前已通过国家能源局的型号设计评审和国家核安全局的安全审评,而且通过了IAEA通用反应堆安全评审。“位于山东荣成的CAP1400示范工程施工设计完成了96%,长周期设备研制完全满足项目开工需求,现场准备工作顺利,已经具备开工建设条件。”

文丨朱学蕊

中国能源报记者

打造自主品牌

2006年,我国做出了引进美国AP1000第三代非能动先进核电技术,高起点实现核电自主化发展的战略决策。同时,为做好引进、消化、吸收、再创新工作,大型先进压水堆核电站列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,成为16个国家科技重大专项之一。2008年2月15日,国务院常务会议审查并通过了大型先进压水堆核电站重大专项总体实施方案。

CAP1400示范工程效果图

AP1000自主化依托项目是成功引进技术的标志性工程, CAP1400/1700示范工程是全面自主创新的标志性工程,作为推进三代核电自主化的实施主体、主要载体和研发平台,国家核电成立后便明确了肩负的国家使命,开启了创业征程。

大型先进压水堆重大专项总设计师、国家核电副总经理、上海核工程研究设计院院长郑明光告诉记者,实施重大专项的总体目标,首先是掌握AP1000技术,其次要突破关键技术并开发CAP1400先进核电技术型号,并预研CAP1700。之后,要完成CAP1400示范工程建设,推进批量化发展,并形成核电可持续发展的体系与机制,使人才队伍、技术研发、试验验证、设计分析软件、核电标准及知识产权、设备制造等达到与赶超国际先进水平。

然而,从AP1000到CAP1400,看似只多出一个字母、只有一个数字之差,却是一次艰辛的跨越。

2007年底,国家核电将CAP1400反应堆功率初定为373万千瓦,然而限于当时国内的制造业水平,专家认为主泵、安全壳、蒸汽发生器应依旧参照AP1000,设计基本保持不变,只将堆芯的燃料组件从157组变成193组。但是,这种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373万千瓦,毛功率和净功率就只有约140万千瓦和130万千瓦,没有突破技转合同关于中方具备自主知识产权的条款。

面对知识产权门槛,唯有革命性的、更大幅度的改变。

2010年,作为设计方的国家核电上海核工程研究设计院开展科研攻关,将CAP1400反应堆功率从373万千瓦提至404万千瓦,并且优化所有参数:燃料组件从157变成193,冷却剂平均温度提升3.1℃,一回路主管道流通面积增加30%,主泵流量增加21%以上,蒸汽发生器U型管由原来的10025根增加到12606根、整体流通面积增加25.7%,汽轮机末级叶片长度增大到1.828米。安全壳直径从39米扩至43米,安全壳厚度从45毫米增加到52毫米。每一个数字的改变,都意味着通宵达旦的计算分析,大量的研究论证,饱含着科技工作者们辛勤的劳动与卓绝的智慧。

CAP1400示范工程现场鸟瞰图

有了这些改变,CAP1400的净电功率大于135万千瓦,成为目前世界上功率最大的非能动压水堆核电型号,而且在安全性、经济性和环境相容性上有了进一步提升,满足世界最新核安全标准,达到了世界领先水平。

“压水堆重大专项的核心是开发出具有我国自主知识产权的CAP1400大型先进压水堆核电技术,建成CAP1400示范电站。”国家核电上海核工程研究设计院院长郑明光说,“引进技术必须要面对自主知识产权门槛,只有迈过去,完成创新和超越,才能兑现当年向党中央国务院作出的‘引进技术以后不再落后’的承诺”。

2014年12月,CAP1400通过了我国核电发展史上范围最广和程度最深的一次安全审评。

2015年11月,中国专利保护协会对CAP1400知识产权专题做出评审:“CAP1400技术是依托‘大型先进压水堆核电站重大科技专项’开发的三代先进核电技术,中方具有完全自主知识产权和出口权。”

2016年4月,CAP1400通过国际原子能机构通用安全评审,审查认为其总体达到IAEA安全法规标准的最新要求。

从展品到产品

2012年,国家核电专家委员会专家郁祖盛在“首届三代核电AP/CAP合格供应商年会”上向国内装备制造企业抛出一个现实又尖锐的问题:样件做得好,一旦批量化就完蛋!而参会的国外同行也认为,中国企业突破技术难关可以,但只会做展品而做不出产品。

中国一重副总裁王宝忠当时坦言,AP1000主设备采用大型铸锻件整体制造技术,制造工艺难度较大,一重在三门1号和海阳1号机组的核电锻件制造上就曾出现过不合格、废品率高等问题。

而五年之后,中国一重做出的锻件用在了三门1号、海阳1号两台AP1000机组上,批量化生产三代核电锻件的能力已经具备。

“在与国家核电共同推动三代核电自主化进程中,中国一重规模不断壮大,全面掌握了AP1000核岛及常规岛铸锻件制造技术,实现了铸锻件的批量化生产,反应堆压力容器等主设备制造也取得了突破性进展,具备了批量生产三代核电铸锻件及核岛主设备的能力,装备能力、技术水平显著提升。”王宝忠说。

国家核电设备与燃料部总经理张树军告诉记者,通过重大专项的实施和大锻件研制成功,锻件制造企业设计分析、试验能力大幅提升,CAP1400关键设备大锻件都实现了国产化,产品性能接近或达到世界领先水平,打破了国际上对三代核电大锻件的垄断。“目前,核岛、常规岛关键设备的大型锻件均实现了国内供应,锻件价格比国外造价降低40%以上。”

而多年依靠进口的焊材、管材,更是在民营企业实现了自主化生产。

CAP1400汽轮机低压转子盖缸成功

据了解,在国家科技重大专项“核电设备用焊接材料研制”中,上海核工程研究设计院联合四川大西洋焊接材料股份有限公司、机械科学研究院哈尔滨焊接研究所等焊接企业,自主创新完成全部20种核电焊接材料的研制,覆盖三代核电设备制造及现场安装的低合金钢、不锈钢及镍基合金焊接材料。

产品已在CAP1400、AP1000系列核电工程及军工核电工程应用,填补了国内空白的同时,降低了核电焊接材料30%-50%的采购成本。浙江久立、江苏宝银分别完成了CAP1400蒸汽发生器用Inconel 690传热管国产化研制工作,打破国际巨头垄断,国产产品应用性能指标满足技术要求,并达到国外同类产品水平,而且价格同比国外造价降低30%以上。

张树军告诉记者,历经近十年的重大专项技术攻关,通过CAP1400示范工程设备的研制,CAP1400设备(材料)实现了由“国产化”向“自主化”提升,关键设备由国内完成自主研发设计、自主制造和自主试验验证。“更实现了由‘国产整机供货’进一步向‘国产原材料供应保障’延伸,不但实现整机向国内企业采购,锆材、大型锻件、大型钢板、蒸汽发生器用传热管等关键原材料也均由国内企业自主供货。

同时,国产化范围实现了从机械类设备到电气仪表类设备全覆盖。首批机组设备总体国产化率将超过85%,后续机组将达到90%以上,余下的10%是国际上价格合理的通用设备。换句话说,已不存在‘受制于人’的问题。

“目前国内企业掌握了屏蔽电机主泵、数字化仪控保护系统、反应堆压力容器、蒸汽发生器等40余项关键设备技术,成功研制出超大型锻件、核级锆材、核级焊材等60余项关键材料,符合国际先进标准要求的三代核电产业链基本形成,也带动了我国基础工业和装备制造业的产业升级。”郁祖盛说。

走向国际市场

CAP1400的开发凝聚着创新和合作,更让中国核电站上了世界舞台。

郑明光告诉记者,通过重大专项,不仅开发出型号,研发出设备,更培养了队伍。“重大专项实施过程中,合作体系、人才教育培养特别要强调‘国际视野、领先水平’。原来只讲填补国内空白是远远不够的,重大专项的成果要经得起历史的检验,经得起经济性的竞争,保证技术的可持续发展,达到国际领先水平。”

首台CAP1400压力容器水压试验一次成功

据了解,除了硬件设备外,国家核电还自主开发了先进核电设计软件CONSINE,而且与美国洛克希德·马丁公司联合研发的新一代反应堆保护系统平台NuPAC通过了两国核安全监管当局的验证。

“通过技术转让、设备国产化、重大专项研发,国内设计、制造企业已掌握ASME、IEEE等国际标准,全面掌握核岛主设备的制造工艺和质量管控手段,具备年产6-8台(套)核岛主设备的能力,形成面向全球、中外共享的三代核电装备供应链体系。”郑明光说,“此外,构建了中国核电设备鉴定平台和体系;建立了中国三代核电标准体系;增强了核电安全评审的软硬件能力,提升了我国核安全监管水平;培养和锻炼了一支人才队伍,为我国核电可持续创新提供了支撑。这些都是国家能力。”

而随着型号研发成功,以及产业能力的整体提升,CAP1400作为中国自主品牌已在国际核电市场崭露头角,南非、土耳其、保加利亚和英国的市场开拓正在推进中。

据了解,CAP1400目前独立开发南非市场,国家核电投标工作已经准备两年多,已组织完成本地化调研等各项准备工作,其提出的“CAP1400技术+本地化+投资+人才培养”整体解决方案得到南非高度认可。此外,国家核电与西屋公司联合开发土耳其市场,已经提交项目开发报告,三方已就开展项目前期可行性研究工作达成一致。同时,已经针对英国市场开展了相关调研和研究工作。

就产业“抱团出海”,郑明光认为,国家核电的合格供应商体系已经建立,这个体系代表的是中国核电产业的能力,因此要求供应商有完整的管控质量保证体系、完整的人才队伍、完整的技术体系和先进的技术工具、有业绩有产品、具备满足当地与国际法规标准要求的评估报告、技术上能够持续投入和发展,CAP1400“走出去”合作的供应商要以这七个指标考核能力和资质。

张树军表示,最近几年CAP1400去国外参展都会邀请国内制造企业一同亮相,以体现中国核电产业的整体实力。未来核电技术出口,将根据目标国的具体情况,更多以招标形式与设备企业进行合作。本地化、生产能力弱的国家,民营企业参与程度更高一点;本地工业基础较好,国产化能力较强的国家,可能就只带一些关键设备企业。

“未来我们想打造CAP1400走出去产业联盟,该联盟要跟着项目走,以此带动更多国内企业走向国际市场。”张树军说。

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责任编辑:于会莹
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