核电技术哪家强?除了华龙一号,我们还有CAP1400和高温气冷堆


日期:2017年09月05日     中国科技网

   2017年8月20日,由中国一重承制的首台“华龙一号”——福清5号核反应堆压力容器在大连核电石化公司完工交付。这标志着中国核电已具备国际三代核电技术的先进水平,并具有完整的自主知识产权和核心制造能力。
   【导读】核能利用是二十世纪人类最伟大的发现之一。经过50多年的发展,核电已经成为全球能源的重要组成部分,在应对全球气候变化、实现能源多元化保障等方面发挥着重要作用。中国的核电发展从无到有,从弱到强,从依托国外技术到拥有自主技术,已跻身世界核电大国行列。作为我国三大核电巨头的中核(成立于1999年)、中广核(成立于1994年)、国家核电(成立于2007年),分别研发了具有自主知识产权的三代核电技术,即ACP1000、ACPR1000和CAP1400。2013年,中核和中广核决定在ACP1000和ACPR1000的基础上,联合开发“华龙一号”,目前已实现“走出去”目标。
   大型先进压水堆和高温气冷堆国家科技重大专项是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的16个国家科技重大专项之一,主要包括大型先进压水堆核电站、高温气冷堆核电站两个分项。专项总体实施方案已于2008年2月获国务院常务会议批准,目标是建成具有自主知识产权的大型先进压水堆CAP1400和高温气冷堆示范工程。

   8月31日上午10点,核电专项新闻发布会在科技部举行,科技部、国家能源局代表以及核电专项技术总师和部分专家代表出席发布会。科技部重大专项办公室解敏主持会议。
   核电重大专项实施管理办公室负责人、国家能源局核电司副司长秦志军介绍,核电专项自2008年启动实施以来,在党中央、国务院的正确领导下,在科技部、发改委、财政部的指导下,通过有关部门、企事业单位、科研院所的共同努力,形成新产品、新材料、新工艺、新装置等980项,申请知识产权3000余项,编制行业及企业标准849项,培养41个创新团队和各类科技人才、青年学术和技术带头人800余人,涌现出一批创新领军人物,我国核电自主创新能力显著提升,为实现核电强国目标奠定了坚实基础。
   一是核电专项重点任务顺利推进。AP1000引进消化吸收基本完成,浙江三门依托项目首台机组热试主体工作已经完成,装料在即。CAP1400设计通过审查,关键试验全部完成,具备开工建设条件。高温气冷堆大部分主设备已安装就位,即将进入调试阶段。
   二是在装备制造方面,能力和水平大幅提升。压力容器、蒸汽发生器、主管道等一大批重大设备实现了国产化,屏蔽电机主泵、数字仪控系统、爆破阀等核心设备均已完成样机制造,高温堆控制棒驱动机构、燃料装卸料系统等已实现供货,这些成果的取得,显著地推动了装备制造企业上台阶、上水平,使我国具备年产6到8台套三代核电设备供货能力,三代核电综合国产化率从2008年依托项目的30%提高到85%以上。
   三是在材料研制方面,实现了基础性突破。超大型锻件、690合金管、压力容器密封件、核级锆材等关键材料加工制造技术取得质的突破;高温堆燃料元件已经产业化生产;核级焊材研制成功,改变了我国核电焊接材料长期依赖进口的局面;建成了首条从海绵锆到成品管、板、棒、带材的完整生产线,为CAP1400和华龙一号的自主化燃料研发提供了有力支撑。
   四是在共性技术方面,夯实了研发基础。充分发挥核电各大集团及相关科研院所的技术优势,共同针对反应堆堆芯及安全分析关键技术研究、严重事故机理及现象学研究、核电站关键材料性能研究等共性技术开展深入分析研究,建设了一批国际领先的大型台架和试验设施,为我国新型核电机型设计、持续提升核电创新研发能力提供了保障。
   CAP1400:引进消化吸收再创新的标志性工程
   压水堆分项总师郑明光介绍,我国在世界领先的AP1000基础上自主研发CAP1400核电技术,是引进消化吸收再创新的标志性工程,也是创新型国家科技成果大集成的标志性工程。
   ——型号设计实现突破,通过堆芯、设备、系统的全新设计和试验验证实现了135万千瓦净功率的突破。
   ——非能动设计理念:利用自然物理现象(重力、蒸发、冷凝、自然循环、自然对流等)以及气体蓄能驱动流体流动,带走堆芯余热和安全壳的热量,不需要依靠外部能源。安全系统整体采用非能动技术后,核电厂具有设计简化、系统设置简化、工艺布置简化、施工量减少、工期缩短、运行和维修简化等一系列效应。
   ——安全性,每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率低于百万分之一,每堆年发生大量放射性物质释放事件的概率低于千万分之一,低于《“十二五”期间新建核电厂安全要求(征求意见反馈稿)》一个数量级。
   ——经济性,预期首堆工程与同期项目相比,具有一定的上网电价优势,CAP1400批量化后还能降低10%-15%,具有较强的竞争力。
   ——先进性,安全系统整体采用最先进的非能动技术,CAP1400全面满足国内、国际最新法规标准,放射性排放满足对内陆厂址的最严格要求,设备采用最新成熟工艺,充分吸收国内外AP1000工程经验反馈。
   ——成熟性,基于我院设计体系和设计平台,设备选型、设备验证、设备研制、安全审评有序展开并有效迭代,确保了设备成熟性,有效降低工程风险。
   ——环境友好性,CAP1400三废排放达到国际最严格标准。放射性废气、废液和废固处理方法进一步优化,排放物浓度进一步下降。
   为验证设计方案,CAP1400设置六大试验,在全国范围内新建12个试验台架,改建10个试验台架,这些试验设施与先进试验分析验证方法为我国核电技术的可持续发展打下了坚实的基础。目前,已经完成所有17项共887个工况试验。国家核安全局按照核安全法规要求全面参与并见证了试验,评审认为:六大关键试验为验证CAP1400设计的安全性提供了大量数据,可用于相关安全分析程序的验证,并可以支撑CAP1400安全评审。国家能源局评审认为:CAP1400六大试验课题达到预期目标要求,试验数据真实、完整、可信,有效地支持了CAP1400设计验证及安全评审。国际原子能机构(IAEA)也对CAP1400进行了通用反应堆安全评审。
   目前,CAP1400示范工程现场准备就绪,正等待全面启动。反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒驱动机构、一体化堆顶组件、环吊、核燃料装卸料机、钢制安全壳等29项长周期设备,已有4项运抵现场,20项正在制造。如果按2017年4月底开工核算,关键设备全部满足工程进度需要,部分设备可以提前交货12个月以上。
   高温气冷堆:不会熔毁的反应堆
   高温气冷堆分项总师张作义介绍,专项进展可简单概括为:“1-3-3”。
   “1”是指在山东荣成石岛湾建设的20万千瓦高温气冷堆核电站示范工程即将建成。
   第一个“3”是三大方面的创新进展,包括:高性能核燃料,工业放大与工程技术试验验证,以及主要关键设备的研制。
   其一是全陶瓷型的高性能核燃料,利用清华大学中试生产线的技术成果,在中国核工业集团包头北方核燃料公司建成了高温气冷堆核燃料元件厂,年产30万个燃料球,在技术水平和生产规模上居于世界首位。
   其二是研发工作,完成了所有工业放大与工程技术试验验证的工作。我国的高温气冷堆核电站示范工程不仅仅是世界首台套,而且是“创新性”技术。在重大专项的支持下,在清华大学核研院北京昌平基地内,建设了世界上规模最大的高温高压氦气工程试验台架,模拟反应堆内同样的条件,全尺寸实际测试了高温气冷堆核心关键设备。包括主氦风机、蒸汽发生器、控制棒、燃料装卸系统、吸收球第二停堆系统等。
   其三是设备研制,完成了一系列世界首台套的重大装备的制造。例如上海电气完成了反应堆压力容器、金属堆内构件、控制棒驱动机构等重要装备的研制。上海电气鼓风机厂和哈电佳木斯电机厂完成了主氦风机的研制。蒸汽发生器的关键技术及工艺取得突破,哈尔滨电气承担的蒸汽发生器制造已经接近完成。宝鸡生产的燃料装卸系统主要设备已经运抵现场。经过重大专项的研发,我们在示范工程上已经实现了90%的国产化率。
   第二个“3”是三个关键词,揭示了这个项目的重大意义或应用前景。
   第一个关键词是“四代”。这是世界上示范工程最接近完成,因此也最接近商业化,安全性最高的四代核电技术。它被国际上认为是一种“不会熔毁的反应堆”。
   第二个关键词是“高温”,示范工程的反应堆出口温度是750℃,在同样的反应堆设计及使用同样材料情况下,可以实现950-1000℃的高温供热。利用这种高温能量,可以用来大规模高效率生产氢气,为从钢铁工业到汽车交通等各种领域提供新型能源,推动这些领域的跨越式发展。
   第三个关键词是“气冷”,所有的核能与核动力装置,都要经过“核-热-电或动力”的转换过程,而“热-电”的转换过程几乎都是用高能气体推动涡轮机的。如果高温气冷堆的燃料性能达到很高的水平,我们就能够把上述“核-热-电”转换高度集成在一个回路中,实现重大专项总体目标中要求的“氦气透平直接循环发电”。在最小的空间内,实现最高的动力输出,达到最高的效率。
   秦志军总结核电专项组织实施过程中的经验,主要有以下四点:一是坚持聚焦重大工程目标,以建成CAP1400、高温气冷堆示范工程为核心目标,专项任务部署集中、目标明确、组织有力;二是坚持自主化导向,做到“有所为、有所不为”,加大对核电领域共性技术、基础性研发的支持力度,全面提升我国核电技术装备自主化、国产化水平;三是坚持整合资源,充分发挥集中力量办大事的举国体制优势,构建了上下游产业协作、国企民企协同、产学研协调融合的机制和平台;四是坚持服务大局,将核电专项置于能源发展和国家发展的大格局中考虑,综合利用规划、课题、经费、产业推广等政策手段,推动专项成果的转化和应用。
   下一步,将认真贯彻落实党中央、国务院决策部署,按照国家科技重大专项的总体要求,继续大力推进核电重大专项实施。改革项目补助方式,进一步调动社会力量帮助核电行业攻关。重点攻克核级泵阀、关键零部件和基础材料等核心技术,加快实现燃料、软件设计和验证自主化。推动CAP1400开工建设,抓好高温气冷堆示范工程建设。按照国际最高安全标准,进一步完善核电技术应用成果评估认证体系,确保进入核电市场的产品安全可靠。完善专项成果应用推广政策体系,综合采用“示范、补贴、奖励”等多种方式支持成果应用。