“华龙一号”（HPR1000）：中国新名片

邢　继,李　崇,吴宇翔,胡宗文,刘倩雯,宿吉强,高　力,张雪霜

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

“华龙一号”(HPR1000)是由中国核工业集团和中国广核集团共同开发,具有完整自主知识产权的百万千瓦级压水堆核电技术,其设计采用先进的安全设计理念与技术,具有创新性的设计特征,满足最新的安全要求和国际上第三代核电的用户要求。

我国自主百万千瓦级核电技术研发,从CNP1000型号研发起步,历经CNP1000、CP1000、ACP1000再到 “华龙一号”,不断提升安全与技术性能指标,至完成 “华龙一号”型号研发,经历了近20年的历程。2011年日本福岛核事故后,新建核电厂的核安全标准更加严格,第三代核电厂成为当今世界核电发展的主流技术。当时国内三代核电技术型号研发尚处于技术跟踪阶段,并未开展实质性的研究。而国际上已有EPR、AP1000、VVER等三代核电型号技术,且AP1000首堆已在国内开展工程建设。由于AP1000为美国西屋公司技术,国内引进消化吸收,知识产权为美方所有,对核电的出口造成一定的限制,并影响我国核电的国际话语权。同时,在国内经济发展新常态的背景下,急需创新发展改变发展模式和高效清洁绿色能源,淘汰落后产能,实现产业发展的升级换代,带动经济发展。因此,开展核电技术的自主创新,实现具有完全自主知识产权的核电型号的开发,对于促进我国从核电大国向核电强国转变,支撑核电走出去极为必要。

核电型号涉及的系统多、专业广、研发难度大。同时,规避国外核电技术的知识产权纠纷,并在建设的窗口期内完成型号研发也是重要的挑战。针对核电型号研发的特点,中核集团建立了“两总制”科研项目管理组织模式及技术分层决策体系,并通过 “小核心、大协作”协作模式,发挥知名科研院所和企业优势,解决开展型号研发所需的人才、技术及研发设施等科技资源短缺问题。同时,利用 “互联网+异地三维设计一体化”的研发设计协作模式,依托示范工程,将研发设计有机结合,极大地提高了项目研发设计效率。在“华龙一号”的研发过程中,以中核集团中国核电工程有限公司、核动力院为主,联合国外包括法、美、意、奥等14家国际组织及机构,国内75家高校、科研机构、设备制造厂共同参与,协作完成了共计179项研发工作。通过广泛利用社会研发资源,极大地加快了 “华龙一号”的研发进程。

福清核电站5号机组于2015年5月7日正式浇筑第一罐混凝土 (FCD),标志着具有中国完整自主知识产权的核电技术 “华龙一号”首堆示范工程正式开工 (见图1)。2015年12月22日,福清核电站6号机组也正式开工建设。2017年5月25日,福清核电站5号机组完成了穹顶吊装 (见图2),标志着 “华龙一号”示范工程建设由土建阶段全面转向安装阶段。福清核电站5号机组开工建设后,国务院总理李克强在视察指导工作时强调:“我们的高铁在世界上已有口碑,接下来要推出更高水平的核电,要在国际市场上占据应有的位置。”作为 “中国制造”的代表,“华龙一号”具备独立出口条件,已经在国际市场上展现了相当的竞争实力。

图1　福清核电站5号机组核岛FCDFig.1　NIFCD of Fuqing 5

图2　福清核电站5号机组穹顶吊装Fig.2　Do me lifting of Fuqing 5

1　自主核电技术的新名片

核电从第一代的原型堆、试验堆,第二代的商用堆发展到如今的第三代技术,在燃料技术、热效率、安全设计与分析评价方法、运营管理等各方面都有了全方位的进步。针对先进轻水堆核电技术,国际组织、各国核安全监管机构和研究机构发布了设计要求以及用户要求文件[1-2],尤其在后福岛时代,对新建核电的设计提出了更严格的要求[3-4]。基于这样的背景,“华龙一号”充分利用我国三十多年来核电设计、建造、调试和运行的丰富经验,引入国际上先进的设计分析方法,并吸取福岛核事故的经验反馈,形成了具有创新性和先进性的安全设计理念。

“华龙一号”采用 “177堆芯”设计,应用自主研发CF3先进燃料组件,在提升反应堆功率的同时,有效降低了堆芯线功率密度,使其不仅能够发出更多电力,也具有了更高的安全裕量,并可将换料周期延长至18个月,降低了机组的运行成本,提高了运行经济性。

“纵深防御”是核电设计遵循的基本原则,就是在各种假设事故发生的情况下,应使核电厂具有多层次的抵御事故能力,并确保其有效。为此应考虑防御手段的冗余、独立和多样性。而“华龙一号”的设计方案正是立足于纵深防御的原则,采用确定论与概率论相结合的安全分析方法,以 “风险指引”确定安全设计方案,在不同防御层次上满足冗余性、独立性以及多样性的设计要求,并更好地平衡了经济性。特别是通过充分借鉴福岛核事故的经验反馈,完善了核电厂预防和缓解严重事故的措施,在 “超设计基准”工况 (新安全要求中的 “设计扩展工况”)下,为确保反应性的控制、堆芯余热的排出和放射性的包容等三大安全功能,在核燃料包壳、一回路压力边界和安全壳等核电厂的三道安全屏障上,创新性地应用能动加非能动的安全措施,以多样化手段有效提高了安全性,“华龙一号”能够满足堆芯损坏频率 (CDF)小于10-6/堆·年的安全目标。

为了实现 “实际消除大规模放射性释放”的目标,“华龙一号”设计方案通过合理布置、设置屏蔽、实体隔离以及强化结构与设备等措施来防止核电站遭受内部事件 (如内部火灾、飞射物、内部水淹等)、外部自然事件 (如满足地震水平与竖向峰值加速度0.3g,加强抵御外部水淹能力等)以及外部人为事件 (如商用大飞机的恶意撞击)所带来的影响,将大量放射性释放频率 (LRF)控制在小于10-7/堆·年。通过非能动系统水箱贮存水量和专用电池容量的设计,保证非能动系统能够持续运行72 h,结合移动泵和移动柴油发电机等常备应急设施,使得事故后核电站在72 h内无需厂外支援。

心力衰竭是一种重要的公共健康问题，该病患病率、死亡率、医疗费用均较高。据2017年美国心脏协会发布的心脏病与脑卒中统计数据显示，2011至2014年美国共有650万例心力衰竭患者，预计2030年患者数量将增至800万，而死亡统计数据显示，美国约1/8死亡医学证明上含有心力衰竭诊断，2012年美国因心力衰竭产生的医疗费用高达307亿美元[1]，目前亟待新的研究提高心力衰竭的诊疗水平。

“华龙一号”通过自主创新,各项性能指标达到国际先进水平,能够满足国家最新的安全要求。 “华龙一号”已通过了国家核安全局审评,以及国际原子能机构和多家外国权威机构的安全评估,可以说,“华龙一号”是我国自主创新先进核电技术的一张名片。

2　“一带一路”的新名片

为落实国家 “一带一路”倡议,核电 “走出去”现已升级为国家战略。“华龙一号”具有完整的自主知识产权,除了良好的安全和性能设计之外,经济性的优势也使其在国际市场上展现出很强的竞争实力。

为了使 “华龙一号”具备独立出口条件,满足国家出口战略的需求,在开展技术研发工作的同时,中核集团也构建了完善的知识产权布局和专利申请计划,有效保护了 “华龙一号”的创新成果,在设计技术、关键设备设计、专用软件、燃料设计与制造、运行维护等方面,建立了完善的知识产权保护体系。同时,中核集团对知识产权侵权风险做了详尽的分析,分析结果表明,“华龙一号”在国内和目标出口国均不存在知识产权侵权风险。

“华龙一号”为了提升经济性方面的竞争力,在提升电功率、采用先进技术、加强运营管理等方面投入巨大,其经济性特点可以总结为以下几方面:

1)堆芯采用177燃料组件,在提高热工裕量的同时,提升了额定电功率;

2)通过对汽轮机选型、蒸汽发生器的蒸汽质量以及传热面积等方面的改进,提高机组的热效率;

3)延长换料周期至18个月,减少非计划停堆次数,使得电厂的可利用率不小于90%;

4)反应堆压力容器、双层安全壳、一回路主要承压设备等重要部件设计寿命延长为60年,同时考虑完善的电厂老化管理措施,通过必要的维修和更换使电站设计寿期达到60年;

6)通过优化大型设备的吊装路径、预制管道与支撑件以及模块化技术的应用,来缩短建造周期等。

“华龙一号”海外首堆工程——巴基斯坦卡拉奇核电厂K2机组,于2015年8月20日FCD,2017年10月13日实现穹顶吊装,创新性地运用主设备预引入法,工期显著缩短。2015年11月15日,在二十国集团领导人 (G20)第十次峰会期间,中核集团与阿根廷核电公司正式签署框架协议,确定在阿根廷第五个核电机组采用 “华龙一号”核电技术,标志着 “华龙一号”成功出口拉丁美洲。除此之外,还有很多潜在用户对 “华龙一号”展现了浓厚的兴趣。

随着国内外示范工程以及其他项目的顺利推进,“华龙一号”成为 “中国制造”走向国际的靓丽名片。

3　创新发展的新名片

“十三五”规划中,明确了实施创新驱动发展战略和优化现代产业体系的要求。强调深入实施 “中国制造2025”,以提高制造业创新能力和基础能力为重点,推进信息技术与制造技术深度融合,推进供给侧结构性改革。“华龙一号”正是践行了这样的发展路线,成为可以为 “自主创新”、“智能制造”、“产业转型与升级”代言的新名片,李克强总理在 “华龙一号”首堆示范工程穹顶吊装之际,对工程建设所做出的重要批示中称之为 “《中国制造2025》的标志性工程”。

党的十八大提出了实施创新驱动发展的战略,强调了创新在国家发展全局的核心位置。“华龙一号”自主成功研发体现了创新发展的特点,从基础性应用技术研究,反应堆、先进核燃料、安全系统设计,到重要核电装备的研制,均产生了大量创新成果。“华龙一号”投入大量资源用于基础技术的研发,以技术升级和科技创新为手段,来满足三代核电技术的要求。例如,自主研发具有完全自主知识产权的CF3燃料组件,在结构、材料、力学分析等方面都开展了相应的技术研发工作,通过优化格架、管座、导向管等关键部件的结构设计,加强燃料组件的性能和可靠性,从而满足了先进燃料组件性能要求。能动与非能动的安全设计理念是 “华龙一号”最具代表性的创新,将高效可靠的能动技术与无需电源支持就可以保证安全的非能动技术联合使用,优势互补,实现安全性大幅提升。“华龙一号”创新成果产生的自主知识产权覆盖了设计、燃料、设备、建造、运行、维护等领域,并已自主开发了核电专用软件,形成了完整的知识产权体系。迄今,“华龙一号”共申请海内外专利629件,其中在英国、马来西亚、阿根廷等海外国家申请专利65件,申请海内外商标200余件。正是通过不断自主创新,并在知识产权管理上采取各种创新措施,“华龙一号”知识产权工作取得了令人满意的成绩,形成了我国自主的三代核电技术,为我国核电走出国门、走向世界提供有力的支撑和保障。

《中国制造2025》中,将 “推进信息化与工业化融合”作为未来十年中国制造业发展的战略重点。核电厂的设计和建造是一项庞大而复杂的系统性工程,需要科学高效的工程管理手段来有序地推进项目进程,为此 “华龙一号”的研发建立了产学研用和国内外协同创新研发模式,搭建协同创新平台。在 “华龙一号”的研发设计过程中,除中国核电工程有限公司公司、核动力研究设计院、核动力运行研究所、华东电力设计院等主要研发单位,还包括法、美、意、奥等14家国际组织及机构,国内清华大学、哈尔滨工程大学、西安交通大学、一重、哈电集团、东方电气、西安核设备厂、中核东方、大连宝原、中冶建研总院等75家高校、科研机构、设备制造厂共同参与,协作完成了共计179项研发工作。“华龙一号”的研发涉及70多个专业、上千名设计人员,传统的设计方式可能由于沟通、配合的不畅影响研发的进度。因此, “华龙一号”引入“互联网+”概念,充分整合和调动跨专业、跨地域、跨行业的资源,打造了可以实现多端联动的数字化核电厂协同设计平台。平台调动了不同地区、不同专业的研发设计资源,在三维可视化设计平台上实现异地协同并行设计,提高资源利用效率。通过建立全面的数据库管理系统以及规范化的智能工艺流程设计系统,平台用户可以进行上下游提资,数据的变化实时地呈现于三维系统,加强了不同参与方间的沟通效率,并通过设计仿真验证平台实现对相关设计的模拟验证,保证设计的可靠性。“华龙一号”的研发设计将核电工程设计水平提升到新的高度。国务院总理李克强到中国核电工程有限公司视察工作时,对于该平台给予了高度的赞扬。以 “华龙一号”研发设计管理创新为基础的 “核电企业构建支撑国家核电走出去创新研发体系”获得国家管理创新一等奖。

在经济发展进入新常态的背景之下,“华龙一号”对于设备制造领域的产业升级、科技成果转化、释放库存等方面具有拉动作用,对于助推能源产业的供给侧结构性改革具有重要意义。“华龙一号”的反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆内构件等核心装备都已实现了国产化,首堆国产化率已达到了85%,制造的质量、可靠性、可维修性均有所保证。“华龙一号”设备供货厂家分布全国各地,涉及5 300多家厂商,共计6万多台套设备。先进核电技术对装备制造提出更高要求,随着 “华龙一号”装备的成功研制,有力地推动了我国装备制造企业的技术提升,积极推动 “大众创业、万众创新”的进程,同时,为“华龙一号”的批量化建设和中国装备 “走出去”奠定了坚实的基础。因此,“华龙一号”无愧为创新发展的新名片。

4　促进军民融合的新名片

2015年6月15日,李克强总理到中核集团中国核电工程有限公司视察,他嘱咐 “华龙一号”研发团队,你们在铸 “国之重器”。在当今世界,战略核威慑是国家安全的基石,没有可靠的战略核威慑,国家安全就会失去根基,也无法保卫和平发展的环境与成果。而核工业是对国家战略核威慑力量的支撑,和平时期,保持强大的核工业,包括研发与制造能力是不可或缺的。在这个方面,国际上走的都是军民融合的道路。军用、民用技术的深度融合,使得科技与经济的发展尤为迅速,市场需求拓宽后对制造业实现不断升级与持续发展提供了强劲的动力。十八大以来,习近平总书记着眼于实现强军梦、中国梦,着重强调了新时期军民深度融合的时代命题,并将其上升为国家战略。习总书记指出:“当前和今后一个时期是军民融合的战略机遇期,也是军民融合由初步融合向深度融合过渡、进而实现跨越发展的关键期。”此外,习总书记还指出:“进一步做好军民融合式发展这篇大文章,坚持需求牵引、国家主导,努力形成基础设施和重要领域军民深度融合的发展格局。”这正是对中国核工业发展提出的战略目标,也是将来国家工业发展的根本方向。

核工业是典型的军民融合产业:核燃料的开采生产以及乏燃料后处理和放射性废物处理处置等环节,都是军民通用的;“华龙一号”中的非能动系统、大量关键设备的制造、先进的仪表控制系统等相关技术,也是得益于军用科研成果的转化;长期以来,相关的设计、制造人才也是军民双线共同工作,互促互进。坚持军民融合深度发展路线,使得中国核电技术得以稳步快速的发展,进而推动整个核工业产业向发达国家看齐,实现由核工业大国转为核工业强国的目标。

习近平总书记强调 “把军民融合发展上升为国家战略,开创强军新局面,加快形成全要素、多领域、高效益的军民融合深度发展格局”。“华龙一号”作为核工业领域军民融合的代表,在国防科技工业军民融合发展成果展中,获得了国防科技工业军民融合发展技术创新奖,是落实国家战略,促进军民融合的一张名片。

5　结束语

在中国核工业的发展历程中, “华龙一号”的成功研发具有重大的历史意义,它从不同的方面展现出其重要的作用。“华龙一号”采用最新的安全标准,形成了自主创新的先进核电技术,是代表自主核电技术的新名片;“华龙一号”具有完整自主知识产权,具备独立出口条件,符合清洁能源市场发展需要,具有强有力的国际竞争力,是落实国家 “一带一路”倡议的新名片;在经济发展新常态下,“华龙一号”坚持以创新驱动发展,加强基础技术研发和 “互联网+”等应用,成为推进 “中国制造2025”的标志性工程,有力地拉动制造产业升级,是创新发展的新名片;“华龙一号”推动了核工业的军民融合发展,是促进军民融合的新名片。

参考文献:

[1]Electric Power Research Institute.Advanced light water reactor utility requirement document[S].Palo Alto,CA:EPRI,1990.

[2]EUR or ganization.European utility requirements f or LWR nuclear power plants[S].2001.

[3]Inter national Atomic Energy Agency.Safety of nuclear power plants:design.IAEA Safety Standards Series No:SSR-2.1(Rev.1)[R].Vienna:IAEA.2016.

[4]国家核安全局.福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求 (试行)[S].2012.