CAP1400核电新突破

文‖《上海国资》记者 孙一元

CAP1400核电新突破

文‖《上海国资》记者 孙一元

国产化是自主的设计过程，自主创新则每个阶段都是攻坚战

2016年12月29日,由上海核工程研究设计院自主设计并主持研发的CAP1400燃料定型组件在包头顺利下线,标志着国内自主化高性能燃料研发领域取得突破性进展。此前,由上海核工程研究设计院牵头,上海电气下属企业上核、一机床等单位联合承担的压水堆重大专项CAP1400核岛重大设备设计技术研究课题通过了国家能源局正式验收。

“表明中国三代核电技术能力进展喜人。”上海市核电办公室教授级高级工程师夏春申告诉《上海国资》。

新突破

CAP1400是中国三代核电自主化的代表堆型,是在消化、吸收、全面掌握中国引进的第三代先进核电AP1000非能动技术的基础上,通过再创新开发出具有中国自主知识产权、功率更大的非能动大型先进压水堆核电机组。示范电站由国家核电技术公司和中国华能集团公司共同出资设立的国核示范电站有限责任公司负责建设管理和建成后的商业运营,位于山东威海市荣成石岛湾厂址,拟建设2台CAP1400型压水堆核电机组,设计寿命60年,单机容量140万千瓦。

夏春申介绍,CAP1400由中国200多家企事业单位20000多人经过7年多努力最终成功研发,是功率更大、安全性更高的大型先进非能动核电型号。跟AP1000相比,CAP1400对核反应堆及所有主设备都进行了全新的设计。“反应堆、主设备、安全系统都经过了大量的实验验证,不仅功率更大,同时进一步增强了核电站抗击地震、外部水淹等极端自然灾害的能力。各方面新突破不少。”

据悉,CAP1400燃料组件是国内基于世界先进堆芯和燃料运行与安全技术要求开发的,整体研发工作分为原型组件、定型组件和先导组件三个阶段,最终目标为实现自主化燃料的堆内辐照考验及商业应用。CAP1400燃料定型组件作为第二阶段工作的标志性成果,具有承上启下的重要里程碑意义。为下一阶段先导组件的研发工作以及CAP1400燃料组件的最终商业应用奠定了扎实基础。

CAP1400核岛重大设备设计技术研究课题,旨在通过理论分析、模拟计算、试验验证,全面掌握CAP1400反应堆压力容器和一体化堆顶组件、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒驱动机构、环行吊车与燃料装卸和贮存系统及设备,以及核电泵、阀和特殊设备等的关键设计技术。该课题通过验收,表明中国已完成CAP1400核岛重大设备自主设计以及主泵总体设计,系统地实现了核岛设备设计的自主化。

“这两项进展,将大为提升中国三代核电核岛重大设备、关键材料的国产化和产业化水平。不仅支撑自主知识产权CAP1400核电技术的安全性和可靠性,增强国内核电产业的装备制造和技术能力,也为示范工程开工建设和CAP1400‘走出去’奠定坚实基础。”夏春申表示。

中国“心”

CAP1400核电是名符其实的中国“心”。

跟AP1000相比,CAP1400重新设计了反应堆和所有主设备,堆芯采用193盒高性能燃料组件,并自主设计可抗击大型商用飞机撞击的钢板混凝土（SC）结构屏蔽厂房、汽轮机发电机系统和辅助系统、钢安全壳等关键设备也得以重新设计。进一步增强核电站抗击地震、外部水淹等极端自然灾害的设防,非能动安全系统具备72小时后的补给能力。

为形成完全独立自主的知识产权,CAP1400在设计过程中,从核电站的总体设计、工程设计到试验验证、安全审评、整条产业链上相关的装备制造等,各方面都要接受创新变革带来的挑战。例如,为满足净功率1350MW的要求,CAP1400进行了很多突破性创新：增大了钢安全壳直径,增大了主管道直径,增加了蒸汽发生器换热面积。

“国产化绝不是简单地把图纸、文件翻译成中文就行了,国产化是自主的设计过程,而自主创新则每个阶段都是攻坚战。” CAP1400研发工作主要技术责任单位——上海核工程研究设计院院长、CAP1400总设计师郑明光表示。

郑明光告诉《上海国资》,为充分确保安全性,当时国家核安全局对CAP1400所进行的审评深度和范围极其严格,来自业内各方面近300位专家,对CAP1400开展安全评审。

“核安全局超过260名工作人员参与到CAP1400审评中,在长达18个月的时间内,针对5000多个问题进行了多次对话。”

安全评审期间,郑明光带领一批经验丰富的研发设计人员,对这5000多个问题进行逐一回答和澄清。最终,从传统的文件审查,到专项审查、独立审核计算、试验验证、独立试验,CAP1400的安全性得到了全方位的充分验证。

“CAP1400采用了非能动堆芯冷却系统、非能动安全壳冷却系统的组合设计。在不依赖外部电源的情况下,能确保极端事故条件下堆芯衰变热有效导出,事故发生72小时内无需人工干预,72小时后具备补给能力,安全性比二代核电提高两个量级。”郑明光说。

非动能技术通俗地来讲,在异常情况下,比如说地震,海啸发生时,如果机组被损坏或者被水淹没,能动设备会失效。而非能动技术,依靠自然机理的作用,如重力、预置力与能量、温度差、密度差或两者结合,可以导出堆芯的余热。

制造能力

“CAP1400的研发,是《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定的16个国家科技重大专项之一。”夏春申告诉《上海国资》,在CAP1400自主研发设计上,上海核工院和上海电气、上海交通大学等产学研结合,基本完成了CAP1400关键设计技术研究。在设备制造上,上海有比较优势。

核岛主设备包括压力容器、蒸汽发生器、稳压器、堆内构件、控制棒驱动机构、主泵及大型铸锻件。对CAP1400而言,最具有挑战性的核岛主设备主要为主泵、爆破阀和数字化仪控系统。

“AP1000的主泵在制造过程中曾遇到了不少困难,试验过程中也出现一些问题。”夏春申告诉《上海国资》,为了避免类似难题,国家核电技术公司对CAP1400关键设备安排了2—3家企业进行培育,“两手准备”。

A P 1 0 0 0的主泵为屏蔽式主泵,CAP1400则除了在此技术基础上自主化研发屏蔽式主泵,还选择上海电气凯士比核电泵阀有限公司（SEC-KSB）,采用德国凯士比KSB公司的湿绕组泵技术路线,“双保险”推进。

2011年9月,国核工程有限公司与SEC-KSB签署CAP1400湿绕组主泵订货合同,2012年3月，完成初步设计评审工作,2014年2月，完成了样机试验方案的评审工作。2014年9月3日,CAP1400示范工程湿绕组主泵样机芯包（主泵除泵壳外的可移出部分）在完成全部电气部分试验后,从德国汉堡港启运离港,当年10月中旬到达上海电气凯士比核电泵阀有限公司（SEC-KSB）并启动了工程试验和耐久性试验。

“上海电气凯士比核电泵阀有限公司采用德国技术,加上相关实验验证极为严格,目前看来会获得更多认可。” 夏春申透露。他表示,在设备制造上,如果上海电气凯士比核电泵阀有限公司在主泵上获得突破,上海将在CAP1400设备制造上“能力大增”。

上海电气是国内首个实现百万千瓦级核电站核岛主设备的成套供应商,核岛主设备地国内市场占有率达到43%,其中堆内构件、控制棒驱动机构两项占有90%以上。如果主泵上再获突破,市场占有率有望继续提升。