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“华龙一号”创新启示录
【添加时间:2021-03-26 】   来源:国资报告 分享:

1月30日,“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。这标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列,成为继美国、法国、俄罗斯等国家之后真正掌握三代核电技术的国家。

党的十九届五中全会提出,2020欧洲杯八强竞猜创新在我国现代化建设全局中的核心地位,把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。

从1997年提出以“177堆芯”为主要特征的CNP1000,到2009年提出“能动+非能动”为主要特征的CP1000,再到ACP1000、“华龙一号”,中国具有完全自主知识产权的百万千瓦级核电站经过二十多年的努力与拼搏,终于建成投运,也给我国开展自主创新提供了诸多经验和启示。

 长期主义

“华龙一号”的成功并非偶然,也不是一蹴而就,而是经过了长期奋斗。

上世纪90年代,中核集团核动力院在完成了中国首座自主研发设计的60万千瓦核电站——秦山二期核电工程后,启动了自主百万千瓦级核电技术的研发工作。

一个核电站的设计,最核心的就是堆芯,堆芯确定了,反应堆及一回路系统才能设计定型,一回路确定,二回路系统才能进行设计。

当时世界核电通用趋势是在堆芯设计上采用157堆芯,核动力院的研发团队则在充分论证可行性后,提出了177堆芯的方案,这成为“华龙一号”诞生的源头和核心技术的基础。

从“157”到“177”,看似简单,实则复杂。在充分考虑热量传递、燃料富集度等组件之间相互制约的因素后,还要提升堆芯性能,并不是一件容易的事情。

据“华龙一号”副总设计师、核反应堆及一回路系统总设计师刘昌文回忆,为在参数的平衡间找到最优的布置方式,科研人员自我加压,艰难攻关,在堆芯装载方案没有颠覆性调整的情况下,成功地将组件最大燃耗降低到了限值以内,在安全性、经济性和对下游专业的影响之间取得了较好的平衡。

核电的自主创新并非闭门造车,而是广泛吸收国际先进经验和成果。欧美推出的AP1000、ERP等第三代核电技术,无论是安全性还是经济性方面,都提出了更高的要求,应对事故的能力更强。对此,中核集团科研团队汲取国际上第三代核电站设计理念,重新定位了自主百万千瓦级技术的研发目标,形成了一个具有三代特征的自主核电技术,这就是CP1000。

邢继于2009年进入这一研发团队,并担任这一型号的总设计师。随后,研发团队提出了“能动+非能动”的初步设想,并落实在CP1000方案中。

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“华龙一号”全球首堆

CP1000计划在2011年底开工,邢继科研团队在2010年底就完成了初步安全分析报告编制,并上报到国家核安全局。然而,2011年3月日本福岛核事故发生后,我国制定了核电安全发展的四项决定,根据新的要求,CP1000需要重新论证。

日本福岛核事故虽然阻止了CP1000,但没有阻止中国核电自主研发前进的步伐。在研发CP1000的同时,中核集团已经提前策划布局并开展了自主三代核电的研究,也就是后来的ACP1000,日本福岛核事故可以说加速了这一型号的面世。

ACP1000既然定位三代核电,就要按照三代核电的要求,和国际最高水平来设计。而这个高目标,给工程师们带来漫长而艰难的挑战。

日本福岛核事故后,核电站能抗多大级别地震,成为人们关注的问题。在抗震要求方面,欧洲的ERP堆型为0.25g,而ACP1000则将抗震要求从0.25g提升到了0.3g。

为了啃下0.3g抗震的这块硬骨头,从2012年底到2014年底,抗震设计团队的工程师们几乎没日没夜地在办公室里计算。

“最担心计算出错,因为一旦计算出错,可能会因为连锁反应,导致上游工艺专业的工作都白做了。那段时间,工作的压力非常大,连睡觉时都会经常反复地思考计算参数,感到有问题时,就会冒冷汗。”抗震攻关团队的专家杨建华说。

在抗震攻关团队夜以继日的努力下,经历了五次抗震设计迭代优化,终于形成了最终的“华龙一号”布置方案。

类似的科研攻关故事还有很多。蒸汽发生器是核电站的关键设备之一。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。

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小时守在试验现场。经过27个月的攻关,第三代核电ZH-65型蒸汽发生器问世。相比之下,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。而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、蒸汽温度更低、经济型更高。

2015年5月7日,“华龙一号”全球首堆——中核集团福建福清核电5号机组正式开工建设。2021年1月30日,“华龙一号”投入商业运行。据了解,“华龙一号”拥有完全自主知识产权体系,专利700余件,软件著作权120余项。

20世纪80年代以来,我国核电从秦山起步,掀开了核能开发利用的新篇章。在自主设计建造秦山一期、秦山二期、岭澳二期等核电厂基础上,中核集团历经20多年砥砺创新,成功自主研发了三代核电技术“华龙一号”。

“‘华龙一号’是中国核工业多年来2020欧洲杯八强竞猜自主创新的成果。”“华龙一号”总设计师邢继说。“从CNP1000、CP1000、AP1000再到“华龙一号”,20年4个自主型号的名称,折射出的是一代接一代中国核工业人,在自主创新核电技术的艰难历程上不断追求更高目标的执着精神,是对初心的坚守。”

协同创新

核电站是高度复杂的能源系统。“华龙一号”能顺利投入商用,除了我国核工业体系的整体进步,和我们自身掌握核心技术,还在于各方大力协同。

“华龙一号”的研发,集结了国内17家高校、科研院所的力量,国外有14家企业或大学参与,签署科研合作协议上百项。邢继介绍说,“华龙一号”在研发过程中,开展了产学研合作,克服了很多困难,解决设备国产化难题,满足第三代核电要求,在核电主设备上通过联合研制实现了100%的国产化。

其中,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”,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是从国外进口。

2007年,中核集团中核工程开始承担核电厂总承包工作。在首次承担核电总承包开始阶段,中核工程就发挥自主设计的优势,对主泵全球重要供货商的泵型进行了全面的比较,依托当时的福清1、2号和方家山项目,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。

通过艰苦的谈判,中核工程和安德里茨公司在福清、方家山项目上达成共识,支持哈电实现主泵国产化和技术转让,并在哈电与安德里茨签订的分包和技术转让合同中明确,由安德里茨帮助哈电实现主泵的国产化和技术转让。

主泵的国产化是一个非常困难的过程,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。面对这些问题,中核工程积极分析梳理问题的症结,建立了从基层项目管理人员到公司领导甚至中核集团领导的协调机制,成立了主泵国产化的专项组,针对主泵国内重要供方实施蹲点策略,安排项目人员现场指导和推动厂家主泵国产化进展,帮助厂家建立了一整套主泵项目管理、质保体系。

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“华龙一号”全球首堆建设场景

2008年11月,中核工程与哈电动装及安德里茨联合签订福清方家山项目主泵供货合同,2009年哈电开展全流量试验台架启动方案设计,总投资约2亿人民币,于2012年建成并投入使用,最终在福清5号机组独立实现主泵总装。

在“华龙一号”研发过程中,类似这样的事还有很多,“华龙一号”研发团队联合东方电气、哈电集团等58家国有企业,联动140余家民营企业,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,首堆工程国产化率达到88%,实现了由“中国制造”向“中国创造”的飞跃。

不仅关键设备,核电建设用的大宗材料也都离不开协同攻关。比如电缆,三代核电站电缆鉴定寿命是60年。中核集团与厂家一起研究,实现电缆寿命的延长,提高耐高温高压性能。再比如安全级电缆的热缩套管,中核集团和国内企业联合研发打破了国外垄断,价格只是国外厂家的1/5。

2015年5月7日,“华龙一号”示范工程福清核电5号机组正式开工建设。“华龙一号”首堆工程涉及大的专业领域70多个,80多个构筑物,360多个系统,工程设计图纸20万张以上。尤其是设备国产化率较高,包含“三新”设备(新设计、新厂家、新技术)111项。可以说,每一个细节的创新,都对设计、采购、施工、调试,乃至商务、核安全等各个环节提出了更高的要求,对整体的项目控制而言也意味着更大的挑战。

为了确保首堆工程顺利推进,在中核集团主要领导牵头下引入了Top10制度、沙盘推演等项目管理工具。其中,Top10制度是梳理和总结项目进展中存在的影响力和风险性较大的进度节点,可以集中调动优势力量实现协同。而用于模拟项目管理与策划工作的沙盘推演,被推广到设计、采购、施工等环节,增强了对项目风险的预见性和控制效能,能够使进度节点都得到有效把控和落实,对“三新”设备的风险控制和平稳运行具有非常重要的意义。

在各方协同之下,“华龙一号”全球首堆的建设稳步向前推进,相继完成穹顶吊装、冷试、热态性能试验、第一组燃料组件入堆等关键环节。2020年11月27日,经过5年多建设,“华龙一号”并网发电。2021年1月30日,“华龙一号”宣布商用。这也是世界上首个按照计划工期推进的三代核电机组。

可以说,“华龙一号”从研发到建设,充分体现了中国特色社会主义制度集中力量办大事的显著优势,成功把“华龙一号”从设计图纸变成了宏伟工程,谱写了雄壮的大国重器进行曲。

 走向世界

“华龙一号”数十年磨一剑,成功投入商业运行,实现了几代核电人的梦想,这是我国核能发展史上具有里程碑意义的成果,向党中央和全国人民交出了一份合格答卷。

作为中国高端制造业走向世界的“国家名片”,“华龙一号”设计寿命为60年,反应堆采用177堆芯设计,堆芯设计换料周期18个月,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。

“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,每年可减少标准煤消耗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。

“华龙一号”的成功,标志着我国已成为继美国、俄罗斯、法国等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家,我国核工业的自主创新能力和核心竞争力实现了大幅跃升,建设核工业强国迈出了坚实一步。

“华龙一号”堆型的深度自主化设计,也为解决“华龙一号”技术出口第三国可能的核禁运限制铺平了道路,并将有效发挥国内高端设备制造产能优势,带动产业集群转型升级。

2018年10月11日,美国能源部发布《美国对中国民用核能合作框架》,对我国核能进口实施选择性禁止。这使邢继更加深刻地认识到“华龙一号”对国家经济、大国政策、“一带一路”、核工业强国、装备制造升级的意义和价值。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。因为标准是话语权。“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。”邢继说。

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,站在“华龙一号”全球首堆投入商业运行的时点上,中核集团董事长余剑锋对未来的发展进行了展望。余剑锋表示,中核集团将始终牢记强核强国的历史使命,推动核工业安全发展、创新发展,加快“华龙一号”批量化建设和后续机型研发,着力推动自主三代核电“华龙一号”“走出去”,为实现科技自立自强,加快建设核工业强国作出新的更大贡献。


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