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中国核电自主研发之路:三大工程 三步登台

日期:2021-10-14    来源:中国核能协会  作者:中核集团公司退休干部 温鸿钧

国际电力网

2021
10/14
10:37
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关键词: 中国核电 秦山核电工程 核电技术

中国基本完成“两弹一艇”军用核工业的历史任务之后,转向发展民用核能。中国核电从20世纪70年代开始起步,经过50多年的奋斗,到现在运行51台核电机组,名列世界第三;成为掌握世界三代核电技术的六强( 中、法、日、韩、俄、美 ),国际市场竞争的五强( 中、法、韩、俄、美 )之一,进入世界核电技术第一梯队行列。

世界五大核电国家

中国发展核电,坚持走自主研发与引进技术相结合的道路,独立自主是根本。在自主研发过程中,经过了起步、引进消化、攀登创新的历程。秦山核电工程,是我国核电起步的标志性工程;秦山核电二期工程,是我国消化吸收掌握核心技术的标志性工程;福清5号工程是我国创新攀登进入国际先进行列的标志性工程。我国核电发展,以自主研发为主线,引进技术是提高发展质量、加快速度的战略措施。本文主要对自主研发为主线的三个标志性工程做分析讨论。

一、秦山核电工程——“中国核电在这里起步”

秦山核电工程是我国第一个核电工程,是中国核电起步的里程碑工程,也是中国通过自主研发发展核电的标志性工程。它在我国核电发展中的作用和亮点有:

1.秦山核电工程是我国建设的第一个核电站,起到开路先锋的作用,是我国核电起步的里程碑。时任国务院副总理邹家华、吴邦国分别题词——“国之光荣”“中国核电在这里起步”,对该工程的意义和成就做了充分的肯定。秦山核电对我国核电后续发展有着重要引导作用。

2.秦山核电实现了两个突破。1991年12月,秦山核电站建成发电,实现了“中国核电零的突破”,结束了世界五大核大国之一的中国没有核电的历史。在秦山核电即将建成时,就受到巴基斯坦的青睐,决定进口建设这种机组,并先后建了4台,被赞誉为“南南合作的典范”,实现了“中国成套出口核电站的突破”。中国成为世界第7个( 英、法、美、德、加、瑞典、中 )成套出口核电站的国家。

3.秦山核电站实现了“原型堆”“商用堆”“走出去”三大步跨越。秦山核电是按原型堆建设的,主要任务是完成对CNP300机型的工程安全可行性整体验证。它不仅圆满完成了原型堆任务,而且经济性也好,达到商业运行的标准,按商用堆长期稳定运营,又圆满完成了向巴基斯坦的国际销售,先后出口建造了4台机组。国际上原型堆满足商用要求,按商业运行的事例是有的,但大多终因商业性能不佳而退出。像秦山核电这样,运行性能一直良好,维持长期商业运行,实属罕见。第三步,按国际商贸规则成功出口4台机组,进入国际市场,是南南合作的典范,更是秦山核电的光荣。

4.自主研发,“五个自主”。中国核电发展坚持走自主发展的道路,要实行“自主化”。自主化一般定义为4个自主,“自主设计、自主制造、自主建造、自主运营”。而秦山核电是“五个自主”( 自主研发,自主设计,自主制造,自主建造,自主运营 ),在“四个自主”之前,还有个“自主研发”。在正式开工建设之前,做了许多相关的单项设计、实验研究。这个“自主研发”,对确保自主知识产权、真正走自主发展道路、免受外商的控制,十分重要。五个自主,标志了我国对核电技术的理解深刻、掌握真谛、根据扎实。

5.秦山核电建设开创了我国第一个核电基地。秦山核电基地,包括秦山核电一厂、二厂、三厂三个核电厂,9台核电机组,成为我国核电进一步发展的后方支援基地。

6.胜利完成起步任务。秦山核电站30万千瓦,麻雀虽小,但五脏俱全。经过了全方位、全过程的实践,有了全面的认识,积累了经验,完成了我国核电的起步任务,又继续发挥“起步”项目的开路先锋作用,如试验、技改、延寿等,为后续项目积累经验。

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秦山核电30万千瓦机组

二、秦山核电二期工程——掌握核心技术

在秦山一期和大亚湾核电起步成功后,以我为主,引进技术,自主设计建设两台60万千瓦机组的秦山二期核电工程。其主要目标是掌握大型商用核电站的核心技术,为实现产业化自主建设大型商用核电站,做好技术准备。

1.解剖式地掌握核心技术。如何通过秦山二期工程有效、迅速地获取和掌握核心技术?利用大亚湾核电工程创造的条件,以法国M310为基础,缩小堆芯( 157→121 )、砍掉一条腿( 三个环路改为两个环路 )、国际分散采购,对反应堆的心脏、堆芯结构动大手术,提出了一系列需要解决的堆芯中子物理、热工、水力、结构力学等核心技术问题,国际分散采购又产生了许多接口问题,需要通过广泛、深入的科研试验予以解决。又遵照核工业老领导和老科学家教导的要“既知其然,又知其所以然”的要求,反复深入地探索,对法国的M310核电技术,实现了解剖式消化吸收,扎扎实实地试验验证。这就超过了一般的“看和抄”所学到的“花拳秀腿”,而是掌握了“知其所以然”的真谛。

2.通过解剖式的消化吸收,掌握了核电技术的真谛,为我国核电后续发展作了准备,打下了基础。保证了60万千瓦机组CNP600设计和秦山二期工程建设的高质量完成。秦山二期总体性能达到20世纪90年代国际同类核电站的先进水平,而每千瓦造价远低于国内外同期建造核电站的水平。对法国M310机型的核心技术有了深刻的认识和理解,为我国核电后续的创新发展打下技术基础。提高了人才队伍的科技水平和实际处理问题的能力,夯实了人才队伍基础;为核电后续发展,做好了标准设计准备,推动了二代改进型机组的产业化发展,实现我国核电建设的快速追赶,成为世界第三核电大国;为我国自主研发三代核电机型作了设计理念、技术方案等准备。“华龙一号”的雏形——CNP1000在母胎中逐步形成。

3.解剖式的消化吸收模式是个好模式。

我们把缩小堆芯、砍掉一条腿、分散采购、充分暴露矛盾和深入研究的方式,称为解剖式的消化吸收模式。把它同国际上的一些引进技术模式作简要对比。

德国( 西门子、AEG )引进美国西屋、GE的技术,基于已有的研发成果,采用技术与引进技术相融合、研发设计的新机型,称为内外技术融合式的引进模式,效果很好。研发出的机型性能,甚至超过了老师——美国西屋的。但采用此模式的条件是要有较强的属于自己的核心技术,自身技术基础雄厚,有可资融合的资本。但在当时,我们不具备此条件。

日本从美国引进技术,采用合作设计、合作制造,通过多个建设工程,逐步转让技术,逐步提高国产化率的模式,也实现了国产化和自主化,但一直处于美国公司的从属地位,从未成套出口过一套属于自己的机组,仅是跟随美国,出口设备、系统。在三代核电技术开发阶段,仍然从属在美国为主的团队中跟随。后期,日本一直努力推销具有自主建设能力的ABWR和法日合作开发的Atmia-l,但始终没有成功。日本的引进技术模式,甘当附属,缺乏主动自主开发的动力、掌握技术主导权,很难取得突破性的创新成果。

法国采用与美国西屋公司合资,成立法美原子公司,用西屋技术建造核电站,同时“通过标准转化,建立法国标准RCC,消化吸收引进美国技术的模式”,具备了改进设计的能力。之后再回购美国股份,把法美原子公司变成法国独资的法玛通公司,具备独立承包出口核电站建设的能力、自主改进设计新机型的能力。开发三代核电技术时,法国自主开发的N4,但投标中用户不认可。后找德国西门子合作,成功开发了EPR,达到了三代要求。从技术掌握的深度和科技能力上看,法国模式逊于德国的国内外技术融合模式,但优于日本的。

我国解剖式的消化吸收模式,与法国的标准转化模式相比,具有对核心技术消化吸收,直观、理解深刻的优点。二代改进机型产业化发展和三代“华龙一号”研发的成功,是个鲜明的佐证。它比日本的跟随模式更优,跟随模式很难拿到主导权。

秦山核电60万千瓦机组

三、福清5号工程创新攀登,进入国际先进行列

中国“华龙一号”“全球首堆”福清5号、“海外首堆”巴基斯坦K2,分别于2021年1月30日和2021年5月20日商业运行,标志了中国已真正掌握了三代核电技术,并跻身世界核电发展的第一梯队,登上了国际核电市场的竞争平台。

现在,世界具有成套出口三代核电机组能力的国家,有美国西屋AP1000、法国EPR、俄罗斯VVER、中国“华龙一号”、韩国APR1400和日本ABWR,共6个国家团队。其中,美国AP10002018年因西屋公司国内建设项目引发财经危机,被美国破产法院实施“破产保护”。母公司日本东芝宣布西屋退出国际核电建设市场,从市场竞争平台上跌落。2020年末,在美国政府推动下,西屋又开始参与波兰、捷克等国核电建设项目的竞争,又重回市场。但日本的ABWR,最近宣布退出国际核电市场竞争。目前,参与国际竞争的有美、法、韩、俄、中5国,是当前世界核电发展的第一梯队。

1.“华龙一号”通过了工程示范验证。

福清5号,中国“华龙一号”的“全球首堆工程”,巴基斯坦K2“海外首堆”工程,分别于2021年1月和5月实现商用,完成示范验证,创造了按计划、不延误的优异业绩,更有11台机组后续跟进。这充分证明了“华龙一号”的安全、运行、经济可行性,达到了三代核电的要求,创造了能按预期计划稳步建设的优秀业绩,打破了世界三代机型“首堆工程”进度必拖的魔咒,标志了中国“华龙一号”技术成熟和管理水平的先进,毫无异议地通过了示范验证。

在时间上,我们比韩国、俄罗斯晚了5年。这主要是因批准开工时间延迟所致,但我们能按预期计划建成,不失其优秀。美国的AP1000、法国的EPR,示范验证是否能通过,似乎尚有疑异。美国正宗的AP1000是经美国核管会NRC批准的第19版设计,示范验证工程是VC·Summer和Vogtle,共4台机组。VC·Summer2台,中途夭折。Vogtle 2台工期已延误5年,现还在继续延误和超资,总成本高达280亿美元。即使建成了,验证结果证明的不是通过,而是当时反对派的意见是正确的,经济上不可行,技术上尚不成熟。原定十多台后续项目,都因此而撤销不建了。开发商母公司日本东芝,下令西屋退出核电建设市场。法国EPR的验证工程,芬兰奥尔基洛托3,法国弗拉芒维尔3,各1台,拖期长达12、10年,超支三倍以上,还不断爆出如压力容器顶盖碳密度分布异常、主管道焊接和压力容器管嘴设计等安全技术问题。法国政府要求,EDF修改设计,定名EPR-2。这就是法国政府给EPR示范验证下的结论。

总之,第一梯队5种机型中,真正圆满通过示范验证的只有中、俄、韩三国。“华龙一号”过硬地通过了工程示范验证。

2.“华龙一号”在国际三代核电建设市场上已站稳了脚跟。

中国“华龙一号”运行2台,在建10台,是目前世界在建三代核电机组最多的机型。总体上说,仅次于俄罗斯。俄罗斯Rosatom己签约海外订单近40台机组,运行5台,在建9台,世界第一。第三位是韩国,APR-1400,运行3台,在建7台。中国“华龙一号”的形势,比美、法机组好得多。美国西屋的AP1000,运行4台是在中国的非正宗AP1000,在美国在建的2台是正宗的,还在继续延期超支,原定后续建设项目都已取消。法国己决定修改设计,EPR不会再建了。

总之,中国“华龙一号”,既圆满通过了工程示范验证,又在国际上稳稳地站住脚跟,进入了世界核电技术先进国家行列。

3.“华龙一号”的两大突破性技术创新。“华龙一号”包含的先进技术措施有很多,其中最受关注的,技术含量高的,最为核心和重要的有两点:

①扩大堆芯,燃料组件由157个增加到177个。在秦山二期工程对M310技术消化吸收和对用户要求文件URD深入研究的基础上,找到大幅提高安全性的突破口:扩大堆芯,降低堆芯线功率密度,大幅降低发生堆芯事故概率。这是“华龙一号”达到三代安全标准的关键举措,也是“华龙一号”设计概念的源头。

②“能动与非能动”相结合的设计理念。国际三代核电机型的改进设计,美国西屋AP1000采用完全非能动安全,以法国EPR为代表的一些机型,采用完全能动安全,而俄罗斯的AES-92,采用了在能动安全基础上加个别非能动安全措施。我国“华龙一号”设计者,革命性地提出了采用“能动与非能动相结合”的理念,并深入研究。基于当前技术水平和安全性经济性的效益与代价的平衡,科学确定能动与非能动两类技术结合的优化方案。这是“华龙一号”,既能满足三代核电的安全要求,又能保持优良经济性的关键。

4.“华龙一号”研发设计中坚持的三项原则:“先进性与成熟性的统一,安全性与经济性的平衡,能动与非能动相结合”,是成功的法宝,避免了西方国家的失误,显示了东方文明,实事求是,综合、统一、平衡、协调、结合等科学发展思想的强大生命力。

①“先进性与成熟性的统一”。追求先进,创新发展是推动社会进步发展的动力,重要性不可低估。但先进技术必须经过充分验证,否则反会成为安全的隐患。未经验证的所谓先进,很可能就是引发安全事故的隐患。隐患的揭示,隐患消除方法的验证,都要充分,要消除一切可能的隐患。在大型工程中、产业化推广建设中,采用的先进技术,必须是经验证成熟的。在美、法一批验证示范工程中发生的长时间延误,大幅度超支,甚至造成建设项目的失败,都与此有关,是血的教训。对先进技术可能存在的安全隐患必须充分揭示,必须要有解决办法,办法必须经过充分验证,必须经过相关专家、机构评审认可。

②“安全性与经济性的平衡”。众所周知,安全是核电能够发展的前提条件、生命线,但也要知道核能的生存能力最终还取决于经济。经济对核电发展来说也是生命线,建设项目需要经济推动,当建造成本、电价太高,用户不能承受时,发展也是不可能的。核电只能在满足安全和经济的双重约束下发展。在设计方案、先进技术的选择时,要做好安全效益和经济代价之间的平衡。安全效益小,但经济代价大的,就不宜采用。片面追求先进,过度创新,牺牲经济性,导致过于昂贵,用户承受不了,这就是西方机型设计的误点。

③“能动与非能动相结合”。能动的或非能动的都可以是实现技术目标的手段。在选择采用何种技术时,并不是绝对的,要看技术的成熟程度,要看安全效益和经济代价间的综合比较,要优化匹配。

5.四个型号的演变历程

①CNPl000。在完成自主研发设计60万千瓦之后,开始了百万千瓦级核电机组研发设计的思考。当时,世界核电发展的潮流,追求满足URD业主用户要求,大幅降低堆芯事故概率,提高安全性,进入先进反应堆行列。21世纪初,把这类先进反应堆称为三代核电反应堆。中核集团的核电设计者,原创性地提出了扩大堆芯的设计概念,由157扩大为177堆芯,降低燃料棒线功率密度,提高核电安全性。在百万千瓦级核电站概念设计报告会上,正式提出并确定了定名为CNP1000。到2005年又完成了CNP1000反应堆的初步设计。

②CP1000。完成CNP1000初步设计之后,又做了22项重大技术改进,基本满足三代核电要求,把型号CNP1000改称为CP1000。到2009年底,作为CP1000示范工程落地项目福清核电厂,完成工程初步设计,并经审查准备开工建设,但受到福岛核事故影响而暂停。

③ACP1000。工程暂停后,又做了设计方案的进一步深化,提出能动与非能动相结合等一系列新的理念,开展重大试验验证。设计方案,符合国际最高安全标准。2013年4月,中核集团以ACP1000自主化三代压水堆先进机型,向国家核安全局上报初步安全分析报告。2014年又通过国际原子能机构的通用反应堆设计审查(  GRSR  )。

④“华龙一号”。在国家能源局的主导下,把中核集团的ACP1000设计和中广核集团提出的ACPR1000,进行设计融合,称为“华龙一号”,意为“中华复兴,巨龙腾飞”。“华龙一号”是具有完整自主知识产权的三代核电品牌。其“全球首堆”工程、“海外首堆”工程,现都已建成商用,一些后续工程又紧跟而上,中华巨龙,已开始腾飞。

以上4个型号名称,代表了“华龙一号”技术水平提高、技术方案完善的历程,完成了与法国M310在设计理念、技术方案、知识产权的完善切割,也代表了“华龙一号”研发设计和建设者们的艰辛创新业绩。

6.“华龙一号”的安全性能,成熟安全可靠,达到国际先进水平。中国“华龙一号”是在已成功批量建设的二代改进机型基础上的设计改进,所采用的改进技术都经过了试验验证,满足国际最高安全标准,吸取了福岛事故后世界安全技术的改进。在2014年通过了世界最高权威,国际原子能机构的通用反应堆设计审查( GRSR ),结论是满足国际原子能机构关于先进核反应堆技术最新设计安全要求,其在成熟技术和充分试验验证的基础上进行的创新设计是成熟可靠的。中国“华龙一号”示范工程建设中,又能不误节点地稳步建成,打破了世界三代核电“首堆工程”工期必拖的魔咒,用实践表明了技术的成熟可靠。

7.中国“华龙一号”的经济性能。它是经济竞争力最强的机型,被认为是突破世界核电发展经济屏障的希望所在。

据世界核电建设国际交易的资料,看出世界核电经济性的大致走势:①“亚洲核电成本是西方新建核电的1/4或更低”,这是2021年5月4日发布的《美国未来核电的争议》一文中,引用美国麻省理工学院( MIT )最近两年研究成果中的结论。韩国建阿联酋巴拉卡核电站4台APR1400机组,总价244亿美元,折合4350美元/千瓦。中国出口巴基斯坦K2、K3项目,建造总成本折合91.16亿美元( 3926美元/千瓦 )。2020年9月27日,《Power Technology》报道美国Vogtle3、4号机组。据负责项目管理的贝克特公司说,总造价将达280亿美元( 折合12534美元/千瓦 )。据中国核能协会资料,中国国内建设“华龙一号”,比投资为2800—3000美元/千瓦,最新估计可能提高到3500美元/千瓦。由这些数字,大致可得出:中国“华龙一号”,国内项目造价大约是美国AP1000的1/4,出口项目( 巴基斯坦 )造价是美国的1/3。韩国APR1400比中国“华龙一号”稍高。

②俄罗斯机组的建造成本大致是美、法机组的“一半”。土耳其建设第一核电站Akkuyu招标,因美法等投标价格昂贵,土耳其缺乏资金,决定停止。俄罗斯总统普京,在土耳其总统访问莫斯科时,告诉艾尔多安,“俄罗斯的价格只有美法的一半”。自此双方开始谈判。谈判成功,建4台VVER-1200机组,合同价200亿欧元,折合5000美元/千瓦,购电协议电价12.35美分/度,为市场电价的1.6倍。现已有3台机组开工建设。

③核电经济可承受的界线。根据俄罗斯取得30多台机组定单的分析,交易能否成功的边界,大致在每千瓦6000美元左右,超过了就很难成交了。交易能否成功的边界,造价大致是6000美元/千瓦左右,执行收购电价是市场电价的1.6倍左右。西方发达国家机组,AP1000、EPR等,其机组交易价格都大大超过此边界,属高成本机型,难以成交。俄、中、韩核电项目造价一般都低于6000美元/千瓦属低成本机型,可承受,往往能成交。这是俄、中、韩市场销售成功,美、法机型市场销售失败的重要原因。

④两种成本,两种结果,两类机型,分道扬镳。在市场竞标中,美、法机型,往往是先因其宣传的“先进”而占先,但后因其经济上的昂贵而败退,且是屡战屡败,几无新的订单。其开发商西屋、Areva,因无新项目入账,相继爆发财政危机,破产重组。与此相反,俄、中、韩则喜讯不断,特别是俄罗斯不时有新建设项目订单收入囊中。

8.以中国“华龙一号”为代表的低成本核电,是实现能源转型、核电发展的希望。

世界能源结构转型的大趋势,“核能—可再生能源的优化结合”,将是新时代清洁能源系统的最佳基础结构。以中国“华龙一号”为代表的低成本核电,将是新时代洁净能源系统的基础之一,是实现世界能源转型、核电发展的希望所在。

近年来,风能、太阳能等可再生能源的生产成本迅速下降,快速发展,成了实现“双碳”目标的主力军。但近20年大力发展可再生能源的实践,在低碳电力中它们所占份额却并未提高,大失所望。其原因是它们与天气的相关性太强,可利用时间太短,迫切需要有稳定可靠电源的支撑,保持电网能连续、稳定、灵活、富有弹性地运行。而核电具有“24/7”全天候稳定运行的优势,两者优化匹配是新时代清洁能源电力系统的最佳结构。但被人认为核电是主流的西方美、法的核电,成本昂贵和奇特的长工期,经济上承受不了,又赶不上“双碳目标”进度要求,成了核电进入新时代洁净能源电力系统的主要屏障。

世界核能协会核能战略家基提( Kidd )曾提出“中国核电的低成本、短工期将是突破屏障、推进世界核电发展的希望所在”。中国“华龙一号”的建造成本17000元/千瓦( 2600美元/千瓦 ),约为法美的1/4、俄罗斯的1/2,建设工期约5年,有强大的突破“屏障”能力。低成本核电,尤其是中国“华龙一号”,将是世界新一代洁净能源电力系统的基础之一,是实现能源转型、核电发展的希望所在。

中国互联网企业100强榜单主要参考互联网企业年度发展数据,评价指标既覆盖收入、利润、人力资本等财务指标,也覆盖流量、活跃用户数等业务指标。

数据统计采用了计算复合指标的方法,计算得出各家企业在企业规模、社会影响、发展潜力和社会责任四个维度上的得分,加权平均后确定排名。

“华龙一号”福清核电百万千瓦级机组

四、结语

中国发展核电,通过上述三大工程,走过了“起步、掌握核心技术、登上五强平台”三大步,取得举世瞩目的成绩。今后的目标,也就是第四步,在规模上“超法赶美”登顶。法国现有在运机组56台,我国已有51台机组,按目前赶超进度,在最近2—3年内就可实现。美国运行机组最高时曾达104台,最近几年,不断关闭,现有93台,“赶美”尚有难度。但我国核电增长势头强劲,美国关闭势头不减,“赶上”也只是时间问题。作为一个核工业战线的老兵,但愿在我有生之年能看到这一天。

在党的领导下,我国核电发展50年,完成了很多大事,取得了很大的成绩。本文仅限于对自主研发为主要线索的三大工程做了分析,仅供参考。我国还有,如中法合作引入法国核电技术的大亚湾等核电工程系列,引进美国AP1000技术的工程项目系列,“为特殊目的以买容量进口建设”的秦山三期、田湾等一批项目,都取得很大成绩,对我国核电发展做出了贡献,都应好好回忆,总结经验。我国核电一定会有更光辉的明天。

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