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“华龙一号”:打造高端制造业走向世界的“国家名片”

1月30日,在中国的东海之滨,一项开创性的工程——“华龙一号”全球首堆中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行。中国由此成为继美国、法国、俄罗斯等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家,标志着中国核电技术水平和综合实力已跻身世界第一方阵。

  “华龙一号”是中国在30余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验基础上研发设计的具有完全自主知识产权的三代核电技术,所有核心设备均已实现国产,设备国产化率达88%,完全具备批量化建设能力。作为中国高端制造业走向世界的“国家名片”,“华龙一号”创新采用“能动和非能动”相结合安全系统及双层安全壳等技术,在安全性上满足国际最高安全标准要求。

  在“华龙一号”全球首堆商运发布会上,“华龙一号”总设计师邢继用“坚守、协同、奉献”三个词概括“华龙”精神与梦想:“‘华龙一号’自主创新取得了丰硕成果,让我们感到骄傲。但在‘华龙一号’的品牌创建和首堆工程建设过程中,团队展现出的精神更让我感动。”

  为了全球首堆商运这一高光时刻,无数建设者自立自强、砥砺前行,在希望和重压中一次又一次突出重围,推动中国核电实现从跟跑到并跑、与核电强国齐头并进的历史性跨越。

  从被“卡脖子”到88%国产化 

△ 2015年5月7日,核岛浇筑第一罐混凝土。 

“早期的核电关键设备,大到压力容器,小到一根电缆、一颗螺丝钉都需要进口,技术上经常被‘卡脖子’。关键核心技术是买不来的,更是市场换不来的,这一点在核电领域显得尤为突出。”谈及“华龙一号”的自主研发之路,中国核电工程有限公司(简称“中核工程”)原总经理刘巍感慨万千,“我们坚守国产化路线,是希望我们的核电技术能够真正独立自主、不受国外制约。” 

   在刘巍看来,所有设备国产化进程中,最艰难的就是“华龙一号”主泵的国产化。主泵作为反应堆中循环系统的动力源被业界比喻为核电站“心脏”,因结构精密、系统复杂、制造难度极大。2008年之前,国内已建成核电站的主泵均从国外进口。

△ 2016年9月20日,核岛安装开始。 

为了改变这一现状,中核工程在主泵的设备采购中明确要求国外投标商寻找国内合作伙伴,并进行关键重要零部件的国产化分包和技术转让。而此时,国内参与主泵项目各单位在主泵设计、原材料、制造、试验、产能、项目管理等多方面存在严重不足。为此,中核工程成立主泵国产化专项组,协调国外主泵专家到国内指导,并安排设计、制造人员赴国外实地学习。“2008—2018年十年间,主泵国产化进程不断推进。‘华龙一号’主泵寿命达到60年,主泵泵体部件基本上全部国产化。”刘巍介绍说。    在“华龙一号”设备国产化方面,中国核动力研究设计院(简称“核动力院”)原副院长吴琳印象最深刻的就是“华龙一号”ZH-65型蒸汽发生器的研制攻关。

  长期以来,蒸汽发生器的设计技术只掌握在美国西屋、法国阿海珐等少数国外公司手中,设计新型号的百万千瓦级核电站蒸汽发生器在国内尚无先例。是购买国外设计技术,继续受制于人,还是狠下决心啃硬骨头,研发设计具有自主知识产权的蒸汽发生器?核动力院人毫不犹豫地选择了后者。

  他们自筹资金,组建攻关团队,从事蒸汽发生器设计研究近30年的专家张富源担任攻关组组长兼专家组组长。为了攻关,张富源带领团队成员常常24小时守在冰天雪地的试验现场,啃馒头、泡方便面。经过27个月的攻关,第三代核电ZH-65型蒸汽发生器问世,而美国、法国制造首台三代核电蒸汽发生器的时间用了将近40个月。与国外三代核电蒸汽发生器相比,ZH-65型蒸汽发生器产生的蒸汽压力更高、蒸汽湿度更低、经济性更好。

  “‘华龙一号’带动了我国制造业的整体升级,带动上下游产业链5000多家企业共同突破了411台核心装备的国产化,首堆国产化率达到88%,实现了由‘中国制造’向‘中国创造’的飞跃。”刘巍自豪地说。

  “华龙一号”具有目前人类对核电 

  最高级别的安全防护 


  △ 2018年1月11日,内层安全壳顺利封顶。 

早在上世纪90年代末,中核集团就开始了“华龙一号”的研发工作,而使“华龙一号”满足最高安全标准和设计要求,始终是研发团队不懈的追求。2011年发生的日本福岛核事故,对全球核电安全发出了严厉警示,也加速了ACP1000这一型号的面世。

  在福岛核事故之前,ACP1000已经在论证过程中。事故发生后,邢继及其团队结合经验反馈,重新调整设计方案,最终以177组燃料组件堆芯、多重冗余的安全系统、能动与非能动相结合的安全措施为主要技术特征,采用世界最高级别的安全要求和最新的技术标准。“这样就能符合国际原子能机构(IAEA)制定的所有安全要求,满足美国、欧洲的第三代核电技术标准。可以说,‘华龙一号’具有目前人类对核电最高级别的安全防护。”邢继表示。 

  对于ACP1000能抗多大级别地震这个日本福岛核事故后多次被提及的问题,邢继及团队用0.3g来回答。 

  这个专业术语,指的是峰值加速度,也是核电站用来确定抗震的设计基准。也就是说,不管震源在哪里,也不管能量通过何种地质构造传递而来,只要反应堆所处的地表水平向和竖向的震动峰值加速度不超过0.3g,核电站都是安全的。 

  邢继说:“这能够涵盖中国几乎所有的厂址。”欧洲的EPR堆型为0.25g,而0.3g的目标相当于在抗震要求上又有了重大的提升。 

  别看从0.25g提升到0.3g,在数值上只提升了0.05g,但对于整个核电站的设计产生的影响是巨大的。可以说是牵一发动全身,特别是对结构、设备抗震能力的要求大幅提高。为了啃下这块硬骨头,从2012年底到2014年底,抗震设计团队夜以继日,经历了五次抗震设计迭代优化,终于形成了最终也是最优的“华龙一号”布置方案。 

  无独有偶,在抗大飞机撞击的设计中,研发团队也有着相似的境遇。邢继说:“我们重新确定的ACP1000方案强化了应对极端外部灾害、包括人为事件的设计。在‘911’以后,大飞机撞击在欧洲的三代核电设计中被普遍关注,而美国人当时并没有考虑,但我们还是把它纳入其中。” 

  然而,这一设计对于研发团队来说完全是个空白。相关的模型和参数在国际上是机密,无资料可寻。经过一段时间摸索后,研发团队决定采用难度较大的三维模型分析。    “在人类科技文明发展历程中,每一步都是冒着风险的。我们的责任就是努力把风险降到最低限度。”邢继说。

△ 2019年3月26日,汽轮机扣盖完成。  

  2014年8月21日至22日,“华龙一号”迎来大考:“华龙一号”接受了由国家能源局、国家核安全局牵头组织的43位院士和专家的评审。专家组一致认为,“华龙一号”成熟性、安全性和经济性满足三代核电技术要求,设计技术、设备制造和运行维护技术等领域的核心技术具有自主知识产权,是目前国内可以自主出口的核电机型。 

  随后,“华龙一号”接受国际大考。维也纳时间2014年12月4日至5日,经过紧张的答辩,“华龙一号”(ACP1000)通过了IAEA反应堆通用设计审查。这是中国自主三代核电技术首次接受国际同行审查。专家认为,ACP1000在设计安全方面是成熟可靠的,满足IAEA关于先进核电技术最新设计安全要求;其在成熟技术和详细的试验验证基础上进行的创新设计是成熟可靠的。在IAEA通过安全认证,标志着“华龙一号”拿到了国际通行证。 

  破解三代核电“首堆必拖”怪圈 

  世界上三代核电首堆几乎都遭遇了拖期的怪圈。 

核电站是一个复杂的系统工程,工程量很大,每一项工作都可能成为项目的拖期因素。尤其是首堆,新工艺、新设计、新设备不可避免地带来大量变更。   那么,“华龙一号”为什么能破解三代核电“首堆必拖”的怪圈呢?   在刘巍看来,自主设计、自主研发是成功的关键:“‘华龙一号’从技术到主要设备都是我们自己的,遇到问题有能力第一时间以最高的效率去解决,使处理问题的周期缩短了很多。”   不仅如此,各方的大力协同、团队的日夜付出也大大压缩了时间。2015年11月4日,福清核电现场正在召开“华龙一号”示范工程建设协调会。当得知主泵这个关键设备按时间节点已拖期5个月时,与会人员迅速行动,奔赴位于哈尔滨的哈电集团予以协调。从北京到福清,再回北京,然后前往哈尔滨……连续四天、辗转三地,5500公里的行程,跨越南北,只为主泵能够按期交货。   作为首堆的“华龙一号”,不可避免地会产生大量设计更变,许多设计代表都坚守在工程现场随时解决问题。AP1000一个变更的平均时间都是一个月到几个月,更长的要到一年以上。而“华龙一号”一个变更的平均时间是1.5天,长的变更原则上也不超过一个月,称得上是世界奇迹。   为了避免走入“首堆必拖”的怪圈,中核工程像打仗一样,把所有“首堆拖期”的因素摆出来,做成沙盘进行推演,把主要风险识别出来后建立一套完整的风险控制体系,一旦遇到风险随时启动响应机制。不过,在邢继看来,建成三代核电是根本,但要真正实现领跑还要形成华龙标准。“我们不仅要输出自己的核电,还要按照我们自己的标准去建设,这样才能不受制于人。”

△ 2020年11月27日,“华龙一号”并网发电。 

   2020年11月10日,中核集团宣布,“华龙一号”已形成一套完整的、自主的型号标准体系,涵盖核电厂前期、设计、设备、建设、调试等全生命周期,可有力支撑“华龙一号”批量化建设和“走出去”。   2021年1月30日,“华龙一号”全球首堆投入商业运行。这是中核集团坚持不懈、砥砺创新取得的重大标志性成果、中国核电发展的重大跨越,也是中核集团为庆祝党的百年华诞献上的一份厚礼,标志着中国在三代核电技术领域跻身世界前列,向建设核工业强国迈出了坚实的一步。   据悉,“华龙一号”每台机组装机容量116.1万千瓦,每年发电近100亿度,能够满足中等发达国家100万人口的年度生产和生活用电需求;同时相当于每年减少标准煤消耗312万吨、减少二氧化碳排放816万吨,相当于植树造林7000多万棵。

链接:http://www.chinatoday.com.cn/zw2018/jj_4978/202102/t20210201_800234428.html

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