全球首臺AP1000機組帶核運行

季天也

4月29日，我國首臺搭載第三代核電技術(shù)APIOOO的浙江三門核電廠1號機組，完成了157組全新燃料組件的裝載。這標志著歷經(jīng)9年，我國三代核電自主化依托項目APIOOO獲得各方認可，全球首臺APIOOO核電機組終于進人帶核調(diào)試運行階段。同樣搭載APIOOO機組的山東海陽核電廠一期工程（1號、2號機組）也完成了裝料前的準備工作。APIOOO機組作為第三代核電技術(shù)，其先進之處體現(xiàn)在哪些地方？其安全性對比以前的核電技術(shù)有哪些質(zhì)的提升？前不久《環(huán)境與生活》雜志記者采訪了三門核電廠和海陽核電廠，對這項技水做了一番了解。

四“桶”水確保反應堆冷卻

《環(huán)境與生活》雜志記者年初曾到訪浙江三門核電廠和山東海陽核電廠，這兩座核電廠各自規(guī)劃建設(shè)6臺百萬千瓦級核電機組，其中一期工程各有兩臺機組（即1號、2號機組）采用美國西屋公司研發(fā)的第三代核電技術(shù)AP1000。它們是中國自主核電技術(shù)AP1000三代核電技術(shù)引進消化吸收的標志性項目，承擔中國核電自主化的重任。兩座核電站在上世紀80年代我國民用核電發(fā)展的起步階段，就被確定為優(yōu)選廠址。

第三代核電技術(shù)AP1000的發(fā)電原理、基本格局，與目前成熟的第二代壓水堆核電廠其實是一個套路，即利用核燃料的能量“燒水發(fā)電”：核電廠有兩套獨立的冷卻水循環(huán)回路，核燃料在反應堆內(nèi)觸發(fā)核裂變鏈式反應，產(chǎn)生大量熱能，把一回路的水“燒”到高溫高壓狀態(tài)，在主泵的驅(qū)動下進入蒸汽發(fā)生器中的U型管，通過管壁傳熱，把二回路的冷水加熱成蒸汽。這樣一回路水就變涼了，被主泵送回反應堆再次加熱，開始下一次循環(huán)；二回路的蒸汽則推動汽輪機與發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。一回路設(shè)備和部件所在的廠房叫核島，二回路所在廠房叫常規(guī)島。

既然發(fā)電套路都差不多，作為新一代核電技術(shù)的AP1000究竟好在哪兒呢？第三代核電技術(shù)相比第二代的重要革新，就是預防和緩解嚴重事故的能力大大加強。核燃料特殊之處在于反應堆即使停止運行，它也不能像其他燃料一樣熄火后就漸漸冷卻。核燃料中放射性物質(zhì)的衰變，足以讓反應堆在很長一段時間內(nèi)“不忘初心”地持續(xù)發(fā)揮余熱，叫做“衰變熱”。假如發(fā)生全廠斷電情況，燃料棒和冷卻水就無法循環(huán)換熱，此時的反應堆壓力容器就好比一口裝著水持續(xù)加熱又不開閥泄氣的高壓鍋。

為避免堆芯因不斷升溫而熔毀，繼而引發(fā)核事故，AP1000機組設(shè)計了4套應急水源裝置來確保反應堆的冷卻，分別是兩個容積均為70 8立方米的堆芯補水箱，用于較長時間內(nèi)向堆芯注入較大的水流量；兩個容積均為56.6立方米的安全注射箱，用于在幾分鐘內(nèi)為堆芯快速、大量注水；一個容積為2092立方米的內(nèi)置換料水箱，用于細水長流地冷卻堆芯；兩個位于核島廠房頂部的安全殼冷卻水箱，總?cè)莘e近2900噸，用來噴淋下方的鋼制安全殼（類似鍋蓋），從而為殼內(nèi)降溫減壓。

事故應急3天不用人

記者在參觀時了解到，除安全殼冷卻水箱外，其他3套水源均含有不同濃度的硼元素，可吸收中子降低核反應速度。這4處冷卻水源的位置都比它們要冷卻的部位高，而且整套安全系統(tǒng)不靠電力或其他外界能源驅(qū)動，完全利用重力和壓力差等天然物理規(guī)律實現(xiàn)自動補水，在事故后的72小時內(nèi)，不需要任何人為干預就能確保反應堆和整座核電廠的安全，所以叫“非能動安全系統(tǒng)”，這一點至關(guān)重要。

西屋公司對AP1000的設(shè)計理念主張“做減法”。雖然現(xiàn)役的第二代或第二代改進型機組也可以實現(xiàn)同樣的安全功能，但只能走“加法”路線：一套安全系統(tǒng)不夠就再加第二套，還不夠再加第三套。當然，加上去的仍然是能動的安全系統(tǒng)，需要有電或者其他能源維持它的功能。

在參觀兩座核電廠的過程中，記者了解到，AP1000的閥門、泵、管道和電纜這4類構(gòu)件的總量，比第二代或第二代改進型機組分別減少了50%、36%、83%和70%，可以有效減少設(shè)備的損壞率和故障率，對于縮短核電廠建設(shè)周期、減少維修項目和確保長期可靠性都是有利的。

極端事故也要保證主控室

記者還參觀了三門核電廠的模擬主控室和海陽核電廠1號機組的主控室。主控室是核電機組的“最強大腦”，核電站運行操作的每一個指令都是從主控室里發(fā)出，決定著核電機組的每一個零部件運行狀態(tài)。

主控室位于核島廠房內(nèi)。和參觀核電廠主廠區(qū)其他地方一樣，記者要在參觀申請得到許可后，經(jīng)過一系列安檢，并由工作人員陪同、授權(quán)后才能進去。

主控室內(nèi)的工作臺上擺著一排電腦，十幾塊大屏幕高掛在墻上，顯示著各種復雜的數(shù)據(jù)、圖表和符號。進門需要套上鞋套，并且禁止拍照。核電廠操縱員就是在這里確保核電廠穩(wěn)定運行和應急安全的。操縱員被譽為管理主控室這個“最強大腦的黃金人”。

走訪中，記者了解到，截至2017年12月，三門核電廠培養(yǎng)了73名操縱員（取得RO執(zhí)照才可當操縱員），40名高級操縱員（取得SRO執(zhí)照），滿足1號機組裝料和后續(xù)啟動工作的需要。海陽核電廠共有167名操縱員，其中42人為高級操縱員，另有7人正在申請操縱員執(zhí)照。一個應屆本科畢業(yè)生從參加工作開始，需要長達8～10年的不斷學習和培訓才能考取RO執(zhí)照。

除了利用電腦操作，主控室的操作臺上還設(shè)置了各種實體按鈕和開關(guān)，有安全級的，有非安全級的。萬一軟件操作出現(xiàn)故障，還有物理按鈕能控制，有保障，體現(xiàn)了核安全機制的多樣性和縱深防御原則。假如不幸發(fā)生事故，核電操縱員“必須堅守在主控室，就像一艘船的船長”。

為了確保在事故狀態(tài)下主控室的環(huán)境還能允許操縱員正常工作，核電廠有一套“主控室應急可居留系統(tǒng)”，包括水、食物、壓縮空氣儲存罐、非能動熱阱（熱阱即排除余熱的場所）。這套系統(tǒng)可以確保在72小時內(nèi)，在11個人（即操縱員）值守的主控室里，溫度升高不超過8.3攝氏度，二氧化碳濃度不超過0.5%。

壽命提升50%與國際標準同步

不少人還有這樣的疑慮：AP1000作為新一代核電技術(shù)，目前還沒有經(jīng)過商業(yè)運行考驗，到底靠不靠譜？記者在參觀時與兩座核電廠的技術(shù)人員交流，了解到，AP1000的蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、汽輪機、燃料組件、反應堆壓力容器等等，在原來的電站中已經(jīng)反復用了幾十年了，相關(guān)參數(shù)變化不大，用的完全是經(jīng)過長期驗證的成熟技術(shù)?！皠?chuàng)新”除了最主要的非能動安全系統(tǒng)，還用到了爆破閥，以及主泵的類型從軸封泵改為屏蔽泵。這兩種設(shè)備，在研制過程中同樣經(jīng)過了大量的實驗，考慮了它們在未來60年運行過程中可能遇到的各種工況，已經(jīng)充分驗證了它們的可靠性。

引進AP1000是一個系統(tǒng)性的工程，不僅僅是建了4臺機組，還有我國對這項技術(shù)的引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的過程。AP1000作為第三代核電技術(shù)有一些重要特征，比如60年的壽期，原來的技術(shù)都是40年，從40年到60年是一個跨越。對它的引進和再創(chuàng)新，可以幫助國內(nèi)企業(yè)熟悉并掌握美國“阿斯米”（ASME，美國機械工程師協(xié)會）標準，克服過去對這套規(guī)范的理解障礙。第三，在這些關(guān)鍵設(shè)備的背后，其實是我國重型裝備制造業(yè)提供的一系列支撐，有些設(shè)備代表著我國基礎(chǔ)工業(yè)的制造水平。

依托這幾臺機組的建設(shè)以及我國對AP1000的消化吸收過程，幾個問題得到了解決。第一，我國實現(xiàn)了從二代設(shè)備到三代設(shè)備的“制造能力”跨越，建立了每年6～8臺套的設(shè)備供應能力，而且不只是一家單位有這個能力。目前沒有哪個國家能做到這點，只有中國能做到，這是引進AP1000的一個功勞。

首批4臺AP1000機組中，三門—號機組——第一臺AP1000國產(chǎn)化率是31.1%，海陽一號機組是44.4%，三門二號機組是71.8%，海陽二號機組是72%，平均是55%。

第二，就是幫國內(nèi)企業(yè)熟悉掌握了美國的阿斯米（ASME）標準（詳見本文《環(huán)境百科》）。我國建立了阿斯米標準中國工作組，推動阿斯米標準融入我國相應的標準體系里，時我國在核電方面的標準與世界接軌、同步，意味著國產(chǎn)設(shè)備出口到別的國家，用中國的標準未必被接受，但如果滿足阿斯米標準他們就容易接受。

模塊化建造省時間

第三，我國核電行業(yè)做了大量研究工作，大大促進了基礎(chǔ)工業(yè)的提升。相比以前的技術(shù)，第三代核電技術(shù)的生產(chǎn)工藝和制造方法也在變。據(jù)了解，在AP1000機組上，焊的東西少了，拿螺絲擰的東西少了，卷板、鑄造的東西少了，原來有接頭的地方現(xiàn)在沒了。許多主設(shè)備的加工工藝正在用鍛造逐步取代鑄造。鑄造工藝是一種金屬熱加工工藝，就是把高溫的液態(tài)金屬澆鑄到模子中，待其冷卻凝固成型。澆鑄過程中可能會留有孔隙或者氣泡，可能成為小隱患。而鍛造工藝能優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，讓材料更致密，避免這種缺陷。因為沒有了焊縫、鑄態(tài)疏松問題，同樣材料的鍛造件，強度、疲勞特性（影響使用壽命）等機械性能都明顯優(yōu)于鑄造件和焊接件。

AP1000的另一個亮點是“模塊化建造”：大量的生產(chǎn)和制造工作在工廠里完成，再運到現(xiàn)場像搭積木一樣拼裝起來，實現(xiàn)土建和安裝同步進行。模塊化建造有幾大好處。

比如，大大降低了核電項目的施工難度，減少了現(xiàn)場施工人數(shù)，相比建設(shè)二代核電廠縮短了建設(shè)周期，有專家預計甚至可縮短近一半工期。另外，通用零件批量生產(chǎn)，有助于降低工程造價。此外，工廠車間的作業(yè)條件比現(xiàn)場施工優(yōu)越得多，產(chǎn)品的質(zhì)量和耐用性會因此提升而且更可控。還有，事后運行和維修的工作量會大幅減少，維修成本下降。