記者6月25日從國家電力投資集團(tuán)有限公司科技成果發(fā)布會上海核工程研究設(shè)計院有限公司(以下簡稱“上海核工院”)專場了解到，在國和一號(CAP1400)開發(fā)過程中，已形成新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新裝置等392項，形成知識產(chǎn)權(quán)4699項，形成行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)近200項。這組數(shù)字的背后，是中國核電行業(yè)數(shù)年的磨礪。
“這其中的很多材料和裝置原本都需要進(jìn)口。通過重大專項的實施，這些產(chǎn)品和材料基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。對于我國可能出口核電的國家和地區(qū)，我們也相應(yīng)申請了國外專利，確保將來走得出去。”國家科技重大專項“大型先進(jìn)壓水堆核電站”總設(shè)計師、上海核工程研究設(shè)計院院長鄭明光在發(fā)布會上表示，國和一號/CAP1400的自主設(shè)計和開發(fā)帶動了國內(nèi)制造業(yè)體系的躍升。
一個國家的核電實力強(qiáng)不強(qiáng)，首先要看有沒有自主設(shè)計能力。若不具備自主設(shè)計能力，只能是盤桓在中低端水平的翻版或觸及侵權(quán)紅線。核電站屬于安全標(biāo)準(zhǔn)極高、系統(tǒng)復(fù)雜且精密的超級工程，自主型號研制不可能是一路坦途。鄭明光此前接受專訪時曾回憶說，核電安全標(biāo)準(zhǔn)的大大提高，對整個設(shè)備的可靠性設(shè)計、系統(tǒng)的可靠性設(shè)計都是極大的考驗。再加上，彼時中國的裝備制造業(yè)尚難以滿足國和一號/CAP1400的要求，圍繞型號的創(chuàng)新目標(biāo)，設(shè)計方與制造方需要“跳一跳才夠得著”。
回顧10年前，參照三代核電的設(shè)計規(guī)格書，國內(nèi)沒有一家裝備企業(yè)能完整有效地制造出三代核電設(shè)備，通過引進(jìn)三代核電AP1000自主化依托項目、國和一號/CAP1400重大專項及其他三代核電項目的拉動，國內(nèi)培育出全產(chǎn)業(yè)鏈的三代核電設(shè)備供應(yīng)能力，中國核電裝備實現(xiàn)了從二代到三代的重大跨越。反過來，得益于關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化、大容量和簡化系統(tǒng)、模塊化建造等特點，當(dāng)前世界最大的非能動壓水堆核電站國和一號/CAP1400的經(jīng)濟(jì)性格外突顯，肩負(fù)著中國核電技術(shù)出海、帶動中國核電裝備“走出去”的使命。
重大專項培育核電關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化
鄭明光在發(fā)布會上介紹稱，國和一號/CAP1400的開發(fā)屬于“高起點再創(chuàng)新”，它基于中國50年的核電廠研發(fā)、設(shè)計和工程經(jīng)驗，基于中國44個機(jī)組20多年的安全建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗，基于AP1000技術(shù)的消化吸收，也基于AP1000依托項目的建設(shè)經(jīng)驗。
2006年11月，國家決定引進(jìn)美國西屋公司AP1000技術(shù)。浙江三門核電站和山東海陽核電站共4臺機(jī)組被確定為中國三代核電自主化依托項目，2009年開始相繼開工，并于2018年底、2019年初相繼并網(wǎng)發(fā)電。
2008年2月15日，國務(wù)院常務(wù)會議正式通過壓水堆重大專項總體實施方案，并將CAP1400的研發(fā)和示范工程建設(shè)列為重大專項的重點任務(wù)，由AP1000的技術(shù)受讓方國家
核電技術(shù)公司牽頭，實行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，廣泛吸收有關(guān)單位共同攻關(guān)。
基于AP1000技術(shù)，CAP1400型號在確定之初就被定位為：安全性不低于AP1000、經(jīng)濟(jì)性好于AP1000，整體設(shè)計壽命60年。其中，“C”為“中國”英文單詞的首字母，“A”、“P”分別代表“先進(jìn)(Advanced)”和“非能動(Passive)”英文單詞的首字母，CAP1400的含義即為中國裝機(jī)容量為140萬千瓦的先進(jìn)非能動核電技術(shù)，2018年這一型號的中文名被確定為“國和一號”。國和一號/CAP1400采用非能動安全系統(tǒng)，機(jī)組設(shè)計壽命60年，換料周期18個月，機(jī)組可利用率約93%，滿足目前世界上最嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。
面對西屋公司提出的“135萬千瓦自主知識產(chǎn)權(quán)凈功率紅線”，中方設(shè)計團(tuán)隊唯有對國和一號/CAP1400進(jìn)行革命性的、更大幅度的創(chuàng)新。通過擴(kuò)大安全殼直徑、增加蒸汽發(fā)生器流通面積等一系列根本性創(chuàng)新，國和一號/CAP1400的設(shè)計較AP1000開辟了另一片新天地：比如，采用反應(yīng)堆系統(tǒng)性低壓損設(shè)計，流量增加了21%，揚(yáng)程降低5%;堆芯方案從AP1000的157盒燃料組件變成了193盒燃料組件;蒸汽發(fā)生器提高傳熱效率，自主設(shè)計了汽水分離裝置和新型蒸汽限流器;反應(yīng)堆壓力容器減少了焊縫;堆內(nèi)構(gòu)件取消了中子屏蔽板和流量分配裙，增加了吊籃剛度等等。
在頂層設(shè)計革新的基礎(chǔ)上，新的核電型號離不開新設(shè)備的支撐。三代核電更高的安全標(biāo)準(zhǔn)要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求、技術(shù)參數(shù)要求對國內(nèi)設(shè)備廠商的軟硬件能力提出了新的挑戰(zhàn)，當(dāng)時國產(chǎn)化設(shè)備的制造能力還未達(dá)到能制造如此大功率設(shè)備的水平。“2007年、2008年，當(dāng)時我們以三代核電的設(shè)計規(guī)格書請制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，當(dāng)時國內(nèi)沒有一家企業(yè)能完整有效地制造出三代核電設(shè)備。”鄭明光回憶道。在此番時境下，一場設(shè)計方與設(shè)備方形成創(chuàng)新聯(lián)合體進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的長跑隨之啟動。
在發(fā)布會上，上海核工院工程設(shè)備所副所長矯明分享了幾個三代核電關(guān)鍵設(shè)備和材料的國產(chǎn)化案例。核島關(guān)鍵設(shè)備價格往往高達(dá)幾千萬到數(shù)億元不等，重達(dá)幾百噸接近上千噸，對設(shè)計制造能力及制造商對于設(shè)計圖紙的理解能力的要求都非常高。
反應(yīng)堆壓力容器是承載反應(yīng)堆的核心設(shè)備、要求60年不可更換，設(shè)計壽命要求非常高。減少主環(huán)路的焊縫，可以大大提高核電技術(shù)安全性并減少運(yùn)維時間，因此，國和一號/CAP1400創(chuàng)新性地采用了整體鍛造頂封頭管嘴和一體化底封頭。相比于堆焊，一體化焊件對制造廠裝備配套能力的要求又上了一個臺階。
功能類似于高壓鍋密封圈的反應(yīng)堆壓力容器O型密封環(huán)，曾幾何時是國外采購經(jīng)常被禁運(yùn)的設(shè)備。“密封”是核電運(yùn)行和事故狀態(tài)下防止泄漏的第一關(guān)，這種零部件對龐大的核電站來說看似微小，但曾是真正的“卡脖子”環(huán)節(jié)，O型密封環(huán)更是整個核電密封系統(tǒng)中最復(fù)雜、最重要的密封，從國外購買的價格高達(dá)幾百萬。該設(shè)備的國產(chǎn)化是國和一號/CAP1400研究開發(fā)過程中一個急需突破的難題。為此，上海核工院和和寧波天生密封件有限公司聯(lián)合成立了核電密封聯(lián)合研究中心，經(jīng)過多年研制打破了國外壟斷，國產(chǎn)化后產(chǎn)品價格約為三四十萬元。
類似的由工程需求牽引出設(shè)備技術(shù)需求、設(shè)計方提出研制方案，設(shè)計方與制造方聯(lián)合攻克的關(guān)鍵設(shè)備和材料還包括大型鑄鍛件、蒸發(fā)器690合金傳熱管、焊接材料等等。為降低設(shè)備研制風(fēng)險并培育良性的競爭氛圍，國和一號/CAP1400在開展設(shè)備研制及國產(chǎn)化過程中，對蒸汽發(fā)生器、壓力容器、主泵、主管道等關(guān)鍵設(shè)備均安排2-3家廠家進(jìn)行培育，目前設(shè)備的國產(chǎn)化率已超過85%，可進(jìn)一步達(dá)到90%以上。其余10%是可以國際采購的通用設(shè)備，目前沒有特別受制于人的物項。
在國和一號/CAP1400等三代核電技術(shù)的帶動下，國內(nèi)各大制造企業(yè)完成了從不會到會、裝備制造能力從二代核電到三代核電的躍升，這同時支撐了如先進(jìn)小堆等國內(nèi)核電型號的開發(fā)。
當(dāng)前，國內(nèi)已具備年產(chǎn)10臺套以上的核電裝備制造能力，位居全球第一。一位國內(nèi)一線裝備制造企業(yè)高管對澎湃新聞介紹，在這個過程中，中國企業(yè)的裝備能力在一些機(jī)械加工設(shè)備和重要工具工裝上已達(dá)到世界頂尖水平。中國裝備制造業(yè)的軟實力也得以提升，項目與技術(shù)管理也得以優(yōu)化，人員隊伍的能力素養(yǎng)得到了進(jìn)一步歷練。
做“減法”的簡化設(shè)計，經(jīng)濟(jì)性富有競爭力
為保障核電機(jī)組的安全，國和一號/CAP1400在AP1000基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了安全裕量：采用了非能動安全系統(tǒng)，利用物質(zhì)的儲能、重力、對流、蒸發(fā)、冷凝等自然力，不依賴外部電源，能確保反應(yīng)堆安全和余熱導(dǎo)出，事故后操縱員可不干預(yù)時間從“二代加”核電技術(shù)的30分鐘提高到72小時;堆芯損傷頻率和大量放射性物質(zhì)釋放頻率較美國核電用戶要求文件限值低一個量級;具有系統(tǒng)性的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施;屏蔽廠房采用先進(jìn)的鋼板混凝土結(jié)構(gòu)，具備抗大型商用飛機(jī)惡意撞擊的能力等。
在此基礎(chǔ)上，國和一號/CAP1400還充分落實了福島事故后核安全的增強(qiáng)要求，包括提高縱深防御系統(tǒng)的抗震能力與電源可靠性，提高電廠抵御極端外部事件的能力，強(qiáng)化事故72小時后冷卻水和電力的供應(yīng)能力，強(qiáng)化電廠應(yīng)對超設(shè)計基準(zhǔn)事故的能力等等。
在保證高安全性的前提下，現(xiàn)如今核電作為電力商品的屬性正在凸顯，作為“電”的經(jīng)濟(jì)性，是決定核電在全球電力市場中競爭性的重要指標(biāo)。據(jù)澎湃新聞了解，上海核工院曾經(jīng)做過測算，國和一號/CAP1400批量化建造之后，倒推出的每千瓦時電價約為0.35至0.38元，頗具競爭力。
鄭明光對澎湃新聞表示，國和一號/CAP1400經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于AP1000。一方面來源于機(jī)組效能、發(fā)電規(guī)模，另一方面是設(shè)備國產(chǎn)化之后具備更強(qiáng)的競爭力。因為設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)怯啥嗉抑圃炱髽I(yè)構(gòu)成，所以設(shè)備國產(chǎn)化、自主化后價格比引進(jìn)設(shè)備便宜，同時促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)性的提高，這主要是來自于系統(tǒng)性能的增強(qiáng)，系統(tǒng)效率的提高，經(jīng)濟(jì)價格的合理。
最為核心的是，國和一號/CAP1400采用簡化設(shè)計和模塊化設(shè)計，用做“減法”的思路，把設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單化，采用“非能動”原理，緊急情況下不需要使用交流電源，僅僅依靠重力、熱循環(huán)和冷凝等自然手段作為動力排出余熱。與二代核電相比，國和一號/CAP1400的閥門數(shù)量減少了80.4%、泵的數(shù)量減少92.3%、管道數(shù)量減少58.5%、電纜數(shù)量減少了48.6%，在提高經(jīng)濟(jì)性的同時，更便于運(yùn)行和維護(hù)。同時，基于AP1000依托項目的經(jīng)驗反饋，國和一號/CAP1400進(jìn)一步優(yōu)化了模塊化建造技術(shù)，批量化建造后核電項目的建造周期可至48個月，這大大少于目前國際主流核電機(jī)組工期。對于資金密集型核電產(chǎn)業(yè)而言，工期縮短的重要意義不言而喻。
