国家电投“国和一号”:见证中国第三代核电技术的自主之路

2022-06-22 09:28  来源:中国科技信息杂志社    国和一号  三代核电  材料国产化

根据国家电投的规划,到2023年,“国和一号”将全面实现100%设备国产化能力,到2025年,建成“技术上最先进最安全、装备上完全自主可控、经济上有显著竞争优势”的三代核电产业链。


相较于第二代核电技术30万千瓦的电功率,第三代核电技术电功率需要突破135万千瓦,对非能动安全和主要设备来说,就是那个大门槛。

核能是人类最具希望的未来能源之一,核能的应用和发展水平,是一个国家综合工业实力的体现,是大国竞争的主阵地,核电技术则是核能应用的重要具体场景。核电技术是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量发电的技术。从1954年到前苏联建成奥布灵斯克核电站以来,全球核电应用历程也走过了67个春秋。

目前,世界掌握的核电技术主要分为三代,第一代核电技术主要是以实验研究堆为主。第二代核电技术主要发展阶段是20世纪60年代初到1979年以前,该阶段技术建成的核电称为二代。美国三里岛核事故发生后,全球对核电安全的认识进一步提升,先进核电国家针对核电设计、运行安全等方面进行了充分认识与分析评估,提出了一系列改进、增强安全性的措施,三代核电技术应运而生。

长期以来,根据外方的合作协议,只有电功率超过135万千瓦,我国才能拥有三代非能动核电的自主知识产权。135万千瓦,对非能动安全、主要设备来说是个“大门槛”,不掌握核心技术,这个“大门槛”就过不去。因此,我国一直没能完全掌握三代非能动核电的自主知识产权,这也成为了制约我国在能源领域发展的“卡脖子”重点问题。

道阻且长,行则将至。经过十二年的探索,在2020年9月28日,135万千瓦这个“大门槛”中国终于迈过去了。在这天,国家电投集团公司正式发布了我国三代核电自主化标志性成果——中国自主核电技术品牌、世界先进三代核电型号“国和一号”。

135万千瓦的“大门槛”摆在面前

核电,是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能。一颗原子核,直径只有一根头发丝的一亿分之一,却蕴藏着惊人能量。1千克的铀235裂变以后产生的能量,大致相当于2700吨标准煤充分燃烧释放的热量。

对于核电技术的应用,前苏联早在1954年就开始了实验。当时,第一代核电技术即早期原型反应堆,主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性。第二代核电技术是在第一代核电技术的基础上建成的,它实现了商业化、标准化等,包括压水堆、沸水堆和重水堆等,单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高,达到千兆瓦级。

到了上世纪九十年代,美国三里岛核事故发生后,全球对核电安全的认识进一步提升,先进核电国家针对核电设计、运行安全等方面进行了充分认识与分析评估,提出了一系列改进、增强安全性的措施,三代核电技术应运而生。

然而,我国运行的核电站大多也为第二代改进型。也就是说,这数十年的时间里,我国一直没有在第三代核电技术方面取得突破。相较于第二代核电技术30万千瓦的电功率,第三代核电技术电功率需要突破135万千瓦,对非能动安全和主要设备来说,就是那个大门槛,“这不是简单的等比例放大,而是要具备自主设计、研制和试验的能力——不掌握核心技术,这个大门槛就迈不过去。”大型先进压水堆核电站国家科技重大专项总设计师、国家电力投资集团有限公司核能总工程师郑明光说。

历经12年突破重重难关

自2008年起,从核电“大动脉”主管道到“心脏”主泵,从“大脑”核设计与安全分析软件到“中枢系统”核电仪控,再到电缆、仪表等遍布核岛各处的“血管”“神经”…以郑明光为代表的技术团队,对“国和一号”顶层设计方案进行了全局性的创新,包括增加钢制安全壳的直径和厚度以扩大核岛空间,重新设计研制反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、爆破阀和汽轮发电机,大幅度优化主泵流量、主管道流通截面等,实现型号总体安全经济性能和效率的全面提升。

三代核电自主化技术攻关团队在关键核心技术上狠下功夫,一项项空白逐步扫清。以“国和一号”控制棒驱动线试验的技术攻关这项任务为例,2015年起,“国和一号”项目组的陈宇清担此重任,连续一个多月的时间里,为保证试验的准确性,任何外界,包括附近行驶车辆的干扰都要尽量避免。陈宇清带头从晚上8点钟开始做试验,直到凌晨3点钟结束。看凌晨4点的上海,成了“陈宇清们”的常态,在这样的状态下,他们最终圆满完成任务,为三代核电控制棒驱动机构自主设计奠定了坚实基础。

经过长时间的技术攻关,各个企业、机构的鼎力相助,依靠产学研用协同创新,“国和一号”成功打破多项材料及设备制造技术垄断,主泵、爆破阀、反应堆压力容器、蒸汽发生器、反应堆本体及一体化堆顶组件、大锻件、核级锆材、690U型管等关键设备材料全部实现自主化设计和国产化制造,性能达到国际领先水平。

有媒体为国和一号算了这样一笔“账”:72小时、56个月、60年、153.4万千瓦。这些数字可以换算成“国和一号”安全、经济与环保的效果图:采用非能动安全系统、事故后无须人工干预时间为72小时,建造周期56个月,电站整体和主体设备寿命60年,单机组发电功率153.4万千瓦……

大国重器设备国产化率超90%

自2008年启动项目研发,600多家单位、31000余名技术人员参与,累计形成知识产权成果超过7600项,设备国产化率超过90%……“国和一号”的履历,正是亿万中国人凝心聚力问鼎世界强国的缩影。

“国和一号”单台机组中,超过100吨的设备、模块有30件左右,最大的模块体积有5000多立方米,重达1400多吨;安全壳是个直径40多米,高70多米的“大胶囊”,用5厘米厚左右的钢板制成,每平方米可承受40吨以上的压力;蒸汽发生器里面有1万多根用于热交换的U型管,总长超过300公里……一项项数据足以说明“国和一号”是名副其实的“国之重器”。

通俗来讲,“国和一号”年发电量114亿千瓦时。按照2020年全国年人均用电量预计达5000千瓦时计算,“国和一号”单台机组年发电量可满足2280万居民的用电需求。

而对于掌握了第三代核电技术150万千瓦级的核电机组也意味着环保方面的巨大贡献。机组与同等规模燃煤电站相比,相当于每年减排二氧化碳900万吨,减排二氧化硫3.9万吨,减排氮氧化物2.1万吨,减排烟尘0.5万吨。减排气体量相当于种植1470平方公里森林。

结语

根据国家电投的规划,到2023年,“国和一号”将全面实现100%设备国产化能力,到2025年,建成“技术上最先进最安全、装备上完全自主可控、经济上有显著竞争优势”的三代核电产业链。

通过设计工作牵引制造企业能力提升,又通过制造过程的经验反馈反哺设计水平提高,在相互作用、共同成长中,“国和一号”建成了先进的三代核电自主创新体系和产业链供应体系。这是国家电投的又一次突破,而未来以国家电投为代表的央企,还将承担更多发展重任,面临更大挑战。



图为技术

深圳核博会

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