第三代核電技術(shù)及發(fā)展

屈偉平

我國第三代核電發(fā)展歷史

在CPR1000體系的形成和運用過程中，共經(jīng)歷了中國核電工業(yè)制度變遷的三個階段，如表1。1977年到1986年，是中國對核電行業(yè)深入探索的階段。中國政府并沒有因為先前蘇南核電的失敗放棄發(fā)展核電的信心，促成了中國與法國的第一次技術(shù)和商業(yè)合作，我國引入了法國的核電技術(shù)路線M310，并與法國核電公司充分合作，建成了在中國核電歷史上占據(jù)重要地位的大亞灣核電站。1979年，中廣核集團(tuán)引進(jìn)了法國核電技術(shù)路線M310型壓水堆。1987年開工的大亞灣核電站是中國與法國核電的首次接軌，由此也加深了中法兩國的核電項目合作，使中國核電工作者有機(jī)會從近距離了解核電的管理、建設(shè)及運做等流程。

進(jìn)入中國核電工業(yè)整體低迷的階段以后，中國廣東核電集團(tuán)仍然果斷大膽地繼續(xù)研究M310技術(shù)，從而使嶺澳項目一舉成為整個中國核電低迷階段唯一的亮點，更開拓了關(guān)于整個CPR1000系列的前進(jìn)方向，同時贏得了國際核電組織的認(rèn)可，為集團(tuán)在國際上的聲望打下了堅實的基礎(chǔ)。

1997年，中廣核集團(tuán)以大亞灣核電站為參考建成了嶺澳核電站一期。該電站對M3l0技術(shù)路線進(jìn)行了52項重要技術(shù)改進(jìn)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了項目管理自主化、建筑安裝施工自主化、調(diào)試和生產(chǎn)準(zhǔn)備自主化，實現(xiàn)了部分設(shè)計自主化和部分設(shè)備制造國產(chǎn)化，形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)路線CPR1000。

表1 我國CPR1000發(fā)展的三個階段

由于CPR1000通過了國際原子能機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，在國際核電領(lǐng)域也得到了較高的認(rèn)同，擴(kuò)大了我國核電在國際核電領(lǐng)域的影響力，對我國未來的核電發(fā)展起到了積極的作用。CPR1000模仿早期的M310，并根據(jù)中國的國情完善和修改了技術(shù)，形成了屬于自己的技術(shù)路線，之后得到了國際原子能機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。CPR1000路線己逐漸成為我國自主核電工業(yè)的一面旗幟。

由于大亞灣項目的順利投產(chǎn)和良好運營，該運營商中國廣東核電集團(tuán)發(fā)現(xiàn)了一條可行的發(fā)展方案，并迅速抓住契機(jī)，從1994年開始，就大力投入到對大亞灣核電項目所使用的M3l0技術(shù)路線的改進(jìn)和創(chuàng)新當(dāng)中去，逐漸形成了擁有自主產(chǎn)權(quán)的中國壓水堆核電技術(shù)路線一一CPR1000，并首次應(yīng)用在嶺澳項目中。1997年，嶺澳核電項目第一次應(yīng)用CPR1000技術(shù)路線，開創(chuàng)了我國核電自主核電技術(shù)的先河，中國核電第一次擁有了自己的品牌。CPR1000作為“二代加”技術(shù)，通過持續(xù)科技進(jìn)步，逐漸趨近第三代，可以保證與先進(jìn)技術(shù)更加平穩(wěn)地銜接過渡。

2005年起，嶺澳二期項目上馬。嶺澳核電站二期作為我國自主品牌CPR1000核電技術(shù)示范項目，運用了數(shù)字化儀控、半速汽輪機(jī)等15項重大技術(shù)和40多項其他技術(shù)的改進(jìn)，首次實現(xiàn)了我國百萬千瓦級壓水堆核電站的自主設(shè)計、自主制造、自主建設(shè)、自主運營。在建造和運行的過程中，中廣核集團(tuán)繼續(xù)創(chuàng)新，將CPR1000不斷完善，并形成了規(guī)?；⑾盗谢??？梢哉f，堅持CPRIO00技術(shù)路線已經(jīng)成為中廣核集團(tuán)在中國核電工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)競爭的一柄利器。同時，由于國際原子能機(jī)構(gòu)在對該電站做全面評審后得出令人滿意的結(jié)果，中廣核集團(tuán)的CPR1000技術(shù)路線被確認(rèn)為可靠、有價值的核電標(biāo)準(zhǔn)。這也為中廣核集團(tuán)的后續(xù)核電發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。中廣核集團(tuán)在此后又建造并籌劃建造了6座核電站，它們是嶺澳二期核電站、紅沿河核電站一期、寧德核電站一期、陽江核電站、陸豐核電站一期、紅沙核電站，均采用CPR1000技術(shù)路線。

為貫徹落實《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005一2020年）》和《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》，促進(jìn)核電設(shè)備的開發(fā)與制造，提高我國核電裝備自主化水平，加快核電裝備自主化進(jìn)程，在2007年7月21日至22日國家發(fā)改委組織召開的核電裝備自主化工作會議上，中廣核集團(tuán)匯報了依托嶺澳核電站二期和遼寧紅沿河核電站建設(shè)，積極推進(jìn)CPR1000核電項目設(shè)備國產(chǎn)化的部署和有關(guān)情況，中廣核集團(tuán)所屬中廣核工程有限公司分別與國內(nèi)多家企業(yè)簽署了7項CPR1000核電項目設(shè)備聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。

2008年，紅沿河核電站、寧德核電站均采用我國核電自主品牌技術(shù)CPR1000進(jìn)行建設(shè)，目前各項工程建設(shè)正全面展開，順利推進(jìn)。加上嶺澳核電站二期工程，目前中廣核集團(tuán)屬下采用CPR1000建設(shè)的核電項目共有3個項目10臺機(jī)組已開始批量化建設(shè)，標(biāo)志著核電已經(jīng)成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分，我國核電正進(jìn)入快速發(fā)展、規(guī)模發(fā)展的新階段。

第三代核電的核心關(guān)鍵技術(shù)

我國第三代核電自主化依托項目工程建設(shè)總體上進(jìn)展順利，安全、質(zhì)量、進(jìn)度都處于全面受控狀態(tài)。在此過程中，我國引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新和自主創(chuàng)新，在世界上率先掌握了第三代核電AP1000的五大核心關(guān)鍵技術(shù)。這五大核心關(guān)鍵技術(shù)分別是:核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注技術(shù)、核島鋼制安全殼底封頭成套技術(shù)、模塊設(shè)計和制造技術(shù)、主管道制造技術(shù)、核島主設(shè)備大型鍛件制造技術(shù)。

1、核電站核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注技術(shù)

2009年4月19日，我國第三代核電自主化依托項目首臺機(jī)組、世界上首臺AP1000核電機(jī)組——浙江三門核電站一號機(jī)組核島第一罐混凝土澆注及養(yǎng)護(hù)取得成功，已全面進(jìn)入主體工程建設(shè)階段。 三門核電站一號機(jī)組主體工程第一罐混凝土澆注工作取得了良好效果，這是迄今為止我國核電站工程建設(shè)首次采用核島筏基混凝土一次性整體澆注的先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)造了世界上核電站核島筏基大體積混凝土整體連續(xù)澆注的成功范例。

大體積混凝土一次性整體澆注，可以實現(xiàn)核電站核島基礎(chǔ)的一次整體成形，具有無接口、防滲好等技術(shù)優(yōu)點，特別適合安全性能要求較高的核電施工。但由于澆注后的養(yǎng)護(hù)是難點，一直是施工的一大技術(shù)難題。為確保澆注第一罐混凝土取得成功，2008年5月，國家核電技術(shù)公司、國核工程公司、三門核電現(xiàn)場啟動了專項計劃；2009年3月1日，完成了所有實體準(zhǔn)備工作；3月10日，三門核電站一號機(jī)組核島完全具備澆注混凝土實體條件，三門核電現(xiàn)場還進(jìn)行過多次模擬澆注；3月11日，國家核安全局組織相關(guān)專家對一號機(jī)組核島澆注進(jìn)行檢查驗收；3月13日，三門核電現(xiàn)場完成對澆注工作的最后一次質(zhì)量檢查。

2、核島鋼制安全殼底封頭成套制造技術(shù)

2009年12月21日，三門核電站一號機(jī)組核島鋼制安全殼底封頭成功實現(xiàn)整體吊裝就位，這一底封頭的鋼材制造、弧形鋼板壓制、現(xiàn)場拼裝焊接、焊接材料生產(chǎn)、整體運輸?shù)跹b等都是由中國企業(yè)自主承擔(dān)完成的。

AP1000首次采用在核電站反應(yīng)堆壓力容器外增加鋼制安全殼的新技術(shù)。鋼制安全殼是AP1000核電站反應(yīng)堆廠房的內(nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，是非能動安全系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。AP1000鋼制安全殼底封頭鋼板的典型特征是大尺寸、多曲率、高精度，采用整體模壓一次成型技術(shù)，尚屬世界性難題。中方企業(yè)攻克了一系列世界性的技術(shù)難題和工藝難關(guān)，提升了我國核電裝備制造和相關(guān)材料研制的水平。

3、模塊化設(shè)計與制造技術(shù)

2009年 6月29日，三門核電站一號機(jī)組核島最大的結(jié)構(gòu)模塊CA20模塊成功吊裝就位，開啟了我國核電站工程模塊化建造的新時代。CA20模塊的工廠化預(yù)制和現(xiàn)場拼裝、組焊、整體吊裝的順利完成，標(biāo)志著AP1000技術(shù)的模塊化設(shè)計和施工的先進(jìn)理念已經(jīng)從理論變成了現(xiàn)實。

CA20模塊是AP1000的最大一個結(jié)構(gòu)模塊，長20.5米，寬14.2米，高20.7米，近7層樓高，由18個房間構(gòu)成，包括32個墻體子模塊和40個樓板子模塊，結(jié)構(gòu)總重達(dá)749噸，加上吊具等起吊總重量達(dá)到968噸，相當(dāng)于700多輛小汽車的重量。

使用模塊化建造方法，可以實現(xiàn)核電站核島工程建設(shè)中的土建和安裝的交叉施工，能大大縮短核電站的工程建設(shè)周期。通過模塊的工廠化預(yù)制，可有效提高工程建造的質(zhì)量。

4、主管道制造關(guān)鍵技術(shù)

2010年1月11日，我國AP1000自主化依托項目國產(chǎn)化主管道采購合同在北京簽訂。國核工程公司與中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司(德陽)重型裝備股份公司簽訂了主管道采購合同。

核電站主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器的大厚壁承壓管道，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能的“大動脈”，是壓水堆核電站的核一級關(guān)鍵設(shè)備之一。AP1000機(jī)組采用了超低碳控氮不銹鋼整體鍛造技術(shù)，材質(zhì)要求高、加工制造難度大，堪稱目前世界核電主管道制造難度之最。

AP1000主管道是我國AP1000自主化依托項目中唯一沒有引進(jìn)國外技術(shù)的核島關(guān)鍵設(shè)備。中國二重集團(tuán)等國內(nèi)多家企業(yè)通過為時兩年的科研攻關(guān)，自主突破了AP1000主管道制造的技術(shù)難關(guān)，制造的主管道1:1模擬件綜合技術(shù)指標(biāo)已完全符合美國西屋公司的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到世界一流水平，大幅降低了主管道的采購成本。

5、關(guān)鍵設(shè)備大型鍛件制造技術(shù)

2009年12月22日，中國一重承擔(dān)的三門核電站2號機(jī)組蒸汽發(fā)生器管板鍛件研制取得成功，在先前實現(xiàn)AP1000核島反應(yīng)堆壓力容器鍛件完全國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，再次實現(xiàn)了蒸汽發(fā)生器鍛件的完全國產(chǎn)化，一舉攻克了制約我國核電發(fā)展的重大技術(shù)難關(guān)，大幅提升了我國核電裝備制造的整體水平和技術(shù)能力，打破了國外企業(yè)在高端大型鑄鍛件市場的壟斷。

以前，我國的大型鑄鍛件企業(yè)因制造能力和技術(shù)上的差距，使國內(nèi)高端大型鑄鍛件市場和技術(shù)被國外巨頭壟斷，尤其是在核電大型鑄鍛件上，國外更是實行技術(shù)封鎖。

除大型鍛件外，目前，反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、主管道、鋼制安全殼等核島關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化工作均取得實質(zhì)性進(jìn)展，確保了我國后續(xù)三代核電批量化、規(guī)?；l(fā)展。

引進(jìn)第三代核電技術(shù)的必要性

1、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國政府決定引進(jìn)AP1000技術(shù)，肯定是在高瞻遠(yuǎn)矚、權(quán)衡全局利弊，同時考慮了技術(shù)風(fēng)險的可接受程度后作出的決策。AP1000核電技術(shù)的引進(jìn)，直接帶動了我國先進(jìn)核電的建設(shè)，使世界首批三代核電AP1000機(jī)組落戶中國。同時，在研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)、工程管理領(lǐng)域、設(shè)備和產(chǎn)品制造領(lǐng)域、運行服務(wù)環(huán)節(jié)完善并逐步形成了三代核電自主化發(fā)展的整體鏈條，帶動了與核電相關(guān)的科研、冶金、裝備制造、信息化等多個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國家核電技術(shù)公司積極探索“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、模塊化施工、專業(yè)化管理、自主化建造”的三代核電發(fā)展新路子。同時，更以加快形成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型先進(jìn)核電技術(shù)品牌為目標(biāo)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)我國的涉核單位和行業(yè)資源，使我國核電產(chǎn)業(yè)初步形成了跨行業(yè)、跨地區(qū)、跨部門、跨學(xué)科的團(tuán)結(jié)協(xié)作、奮力攻關(guān)的新局面。

2、促進(jìn)自主創(chuàng)新

AP1000并不是我國核電技術(shù)的終點。國家核電技術(shù)公司的重要使命是在消化、吸收、全面掌握第三代核電AP1000先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、功率更大的大型先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)品牌。目前，我國大型核電重大專項的實施管理模式和協(xié)作攻關(guān)的態(tài)勢初步形成。重大共性技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備材料研究工作，核電大型鍛件、鍛造主管道、蒸汽發(fā)生器690合金U型傳熱管研制等課題取得較大進(jìn)展。兩年來，國家核電技術(shù)公司堅定不移地推動以大型核電重大專項示范工程（CAP1400）建成投產(chǎn)為標(biāo)志的三代核電自主化，我國自主創(chuàng)新的“大核電”揚帆起航。只有擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型先進(jìn)核電技術(shù)，我國才能由“核電大國”轉(zhuǎn)變成為“核電強(qiáng)國”，才能在滿足國內(nèi)核電自主建設(shè)發(fā)展的同時，實施核電成套技術(shù)“走出去”戰(zhàn)略，贏得世界核電大單。

第三代核電的優(yōu)勢

1.安全性

核電站安全目標(biāo)有兩個指標(biāo)，一是反應(yīng)堆堆芯熔化率（簡稱堆熔概率），二是大規(guī)模釋放放射性物質(zhì)的概率（簡稱釋放概率）。如果以每核反應(yīng)堆每年來計算的話，二代堆的堆熔概率為10-4，也就是每堆每年出現(xiàn)萬分之一的可能性；而釋放概率為10-5，也就是每堆每年有10萬分之一的可能會發(fā)生核物質(zhì)大規(guī)模釋放。第三代核電機(jī)組要有更高安全目標(biāo)。即堆芯熱工安全裕量＞l5%，堆芯損壞概率＜10-5/堆年，大量放射性外泄＜10-6/堆年。兩次核電事故后，法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對安全目標(biāo)的要求又提高了，而AP1000的安全目標(biāo)比前兩者更高，具體見附表2。

AP1000的關(guān)鍵技術(shù)是采用非能動安全系統(tǒng)，具體表現(xiàn)在采用非能動安注、多級非能動自動卸壓系統(tǒng)、非能動余熱排放系統(tǒng)和非能動安全殼冷卻系統(tǒng)。AP1000核電站引入了嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，如堆腔淹沒技術(shù)、自動卸壓系統(tǒng)(ADS)、抑制氫爆的氫復(fù)合系統(tǒng)(氫點火器和非能動氫催化復(fù)合)、堆芯熔融物壓力容器內(nèi)保持(IVR)等技術(shù)。同時，AP1000采用雙層安全殼和全數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

AP1000核電站的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)不依賴外部電源，采用非能動余熱導(dǎo)出、非能動安全注入以及非能動安全殼冷卻?？梢员ＷC長時間的安全停堆。還可以保證大于72h不用操作員干預(yù)。

EPR核電站采用4通道安全系統(tǒng)和雙層安全殼。引入了嚴(yán)重事故預(yù)防及緩解措施，如穩(wěn)壓器卸壓、堆芯撲集器和非能動氫復(fù)合器。

2、經(jīng)濟(jì)性

第三代核電機(jī)組要有更好的經(jīng)濟(jì)性，具體表現(xiàn)在機(jī)組額定功率為l000～1500MWe，可利用因子＞87%。換料周期18～24月，電站壽命60a，建設(shè)周期48～52月，電價要能與聯(lián)合循環(huán)的天然氣電廠相競爭。因此，第三代核電機(jī)組在技術(shù)上更先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上更占優(yōu)勢。

表2 核電站安排性比較