三代核電關鍵設備來自上海設計:國產化率已超85%

本文轉自：第一財經

國和一號總設計師、上海核工院院長鄭明光說，我國三代核電核能產業鏈已基本完成，關鍵設備材料基本實現自主化設計和國產化製造。

12臺展示設計分析器功能的屏幕排成兩行，實時反映核電廠的運行狀態、設備參數。這是第一財經記者在國家電投上海核工程研究設計院（下稱上海核工院）「核電人因工程實驗室」中看到的情景。

而這僅僅是核電領域數位化設計的一部分。

「數位化改進使秦山核電站的技術水平提升不少，也為其延長20年使用壽命提供了科學依據。」上海核工院人因工程帶頭人宋霏說。

自1991年12月底秦山一期核電站併網發電至今已經28年。其間，「創新」成為三代核電建設關鍵詞，一批重大自主研發、帶動加工製造的精密設計不斷湧現，裝備製造業能力跨越式提升。

根據《中國核能發展報告2019》，核電在中國發電量中的佔比將從2018年的4.22%上升到2035年的10%左右；由於具有穩定且不波動的重要優勢，核能發電仍將在未來30年間彌補能源市場空缺。高質量下的核電事業才剛剛起步。

CAP1400全廠概念圖。來源：上海核工程研究設計院

自主研發是命脈

此前，我國核電產業一直受制於人，設計自主化、材料國產化，以及關鍵設備配套方面都是核電產業的薄弱環節。2008年，「大型先進壓水堆核電站」啟動，推動我國核電產業鏈從二代跨越到三代。

一批批工程技術人員、科研人員通過引進消化吸收先進技術，通過大量試驗、多輪驗證，逐步建立先進核電自主研發設計體系、試驗驗證體系、標準體系以及裝備供應鏈體系，690U型管、主泵、爆破閥這些以往受制於人的材料和設備都突破了國外壟斷與技術壁壘。

2018年11月廠址前期勘察。來源：上海核工程研究設計院

「我國三代核電核能產業鏈基本完成。」 國和一號總設計師、上海核工院院長鄭明光表示，「其中關鍵設備材料基本實現了自主化的設計和國產化製造，設備國產化率已超過85%，每個主設備都對應了2~5家具備能力的製造商。」

核能核電建設極為複雜。作為前端，國家電投旗下的上海核工院不僅要負責各類堆型的研發、設計與驗證工作，還要為製造、建造環節提供技術支撐。這其中，反應堆的安全性、經濟性和環境相容性是衡量核電水平的關鍵。

以國家科技重大專項國和一號（CAP1400）為例，該核電機組是在引進、消化、吸收AP1000世界先進三代核電技術基礎上，結合日本福島事故經驗反饋，再創新形成的具有完全自主智慧財產權的核電技術，「CAP1400的安全性、經濟性和環境相容性達到了世界領先水平。」鄭明光說。

首先是安全性。上海核工院總體技術部主任助理程書劍告訴記者，堆芯損傷、大規模釋放是核反應堆機組兩項重要安全問題。一方面，上海核工院將國和一號鋼製安全殼厚度進一步加厚、直徑從原來的39.6米擴大到43米；另一方面，具有獨創性的COSINE核電安全設計軟體系統，先進的基於FPGA技術的NUPAC和NUCON數位化保護及控制系統平臺也是有力基礎。

一系列從內至外的創新設計下，核電機組的抗震、防飛機撞擊能力大幅提升，事故發生率也降低在10的負6次冪以內。

其次是經濟性。鄭明光說，除了該機組下的非能動技術可減少佔用一定物理空間之外，其高度自動化的設計理念還能降低一定的人力成本。

同時，國和一號（CAP1400）通過將反應堆低壓損設計，使流量增加21%，效率提升至1500MWe左右。

「每個大項關鍵試驗裡面都有很多子項的研究內容，主要是把可能對設計、安全有影響的因素全部摸索或挖掘出來。」參與項目的工作人員說，「比如，有個非常小的泠凝試驗，我們僅跟聯合單位正式的來往函件就接近70份；綜合性能試驗《試驗大綱》，從聯合單位提交的徵求意見稿80頁，來回修訂4次，到最終的140頁。」

創新還體現在一些數位化設計的場景中。工作人員說，由於人的操作失誤導致的問題佔70%，而核工程設計極為複雜且有上千接口。因而，從設計端開始，到驗證、製造、建造、運維等各環節引入數位化運維的理念至關重要。

以數位化作為基底、電廠實景為依託的全息監測系統也已在核電廠投入使用。「一旦有安全問題發生，系統可以立刻通過人的位置計算出核電廠內的最優逃生路線。」宋霏說。

截止到6月底，我國在運核電機組達到47臺，裝機容量近4800萬千瓦，排名世界第三。其中，國家電投控股運行核電機組6臺，裝機容量698千瓦。

「重大專項大型先進壓水堆核電站是國家中長期發展規劃裡確定的科技發展和經濟發展重大項目，它的目標是通過這個項目建設一個中長期的核電站，在國民經濟和科技發展上有重大意義。」被譽為中國核電之父的歐陽予院士說。

創新賦能製造端

如果說自主、創新的研發設計體系是核電建設的先行基礎；那麼，實現關鍵設備的國產化製造同樣考驗實力。

第一財經記者在走訪上海電氣臨港基地時了解到，該基地承擔了核電站關鍵主設備的製造，包括核島的堆內構件、控制棒驅動機構、蒸汽發生器、壓力容器、穩壓器、核主泵及常規島的汽輪機、發電機等，僅上海第一工具機廠有限公司就承擔了全國95%以上堆內構件及控制棒驅動機構的製造。

CAP1400控制棒，攝於上海第一工具機有限公司車間外

「核電領域內對產品的製造要求要遠遠高於其他產業。」上海電氣核電設備有限公司製造部單傑告訴第一財經記者，「核電設備要求要具備足夠的安全性和穩定性，所有設備均需通過嚴格的檢測及試驗才能交付。」

在這個精工車間長約20米、寬約8米的工具機上，一臺蒸汽發生器正在進行管板打孔。單傑介紹，管板上打孔數量為1.2萬餘個，每打一個孔的時間在10分鐘左右。

而一旁被稱為世界最大的CAP1400蒸汽發生器，需在管板上打孔2.5萬個，重量超過800噸。設備製造完成後會通過專用駁車裝運至附近碼頭，並通過船運交付至國內各個業主方。

除了大型設備，一些中小型部件的製造也深有講究。記者在承擔堆內構件生產的上海第一工具機廠有限公司車間內注意到，某堆芯圍筒組件的環板並未採用以往的人工焊接形式，而是改用了雷射焊接技術。

「這一雷射焊接技術由我們首創研發。」該車間工作人員說，「這樣的焊接方法能將8塊W形板、C形板一次焊透成型，且可將變形量控制在最小程度，並將焊縫控制在16mm的精準熔深。」

隨著水聲望向另一端，是均流板在進行加工，其在堆內的作用是均勻分布冷卻劑。「這是加工耗時最長的部件了，以員工三班倒來計，也要12個月左右完成。」該工作人員說。

上海電氣核電集團專利牆，攝於該公司臨港建造基地

臨港基地是我國核電自主建造實力的一個縮影。從圖紙到部件，我國全面掌握了屏蔽電機主泵等29項關鍵設備技術，成功研製出超大型鍛件等40餘項關鍵材料，也帶動了一批為核電配套的裝備和零部件生產企業。

上海電氣核電集團黨委書記何延慶表示，「未來3~5年，我們要完全具備三代核電主設備成套供貨的能力，並突破核電廠運維（運營與維護）服務國內外市場，積極拓展新產業與新業務。」