华龙一号:中核集团勇当核电产业链“链长”的成功实践

2022-08-16 08:56  来源:中核集团    华龙一号  中核集团  材料国产化  核安全  核燃料  福清核电站

习近平总书记指出,中央企业等国有企业要勇挑重担、敢打头阵,勇当原创技术的“策源地”、现代产业链的“链长”。国务院国资委要求中央企业坚决贯彻落实党中央、国务院决策部署,着力提升基础固链、技术补链、融合强链、优化塑链能力,不断增强产业链供应链韧性和竞争力,在现代产业体系构建中更好发挥支撑引领作用。


习近平总书记指出,中央企业等国有企业要勇挑重担、敢打头阵,勇当原创技术的“策源地”、现代产业链的“链长”。国务院国资委要求中央企业坚决贯彻落实党中央、国务院决策部署,着力提升基础固链、技术补链、融合强链、优化塑链能力,不断增强产业链供应链韧性和竞争力,在现代产业体系构建中更好发挥支撑引领作用。

我国自主三代核电华龙一号的建成投产,是中核集团坚持自主创新,服务国家战略的重大成就。2015年12月4日,国家主席习近平在约翰内斯堡同南非总统祖马共同出席中非装备制造业展开幕式,在参观中核集团展台时亲自介绍华龙一号:这是我们自己的技术,我们要把它推向非洲和世界。2015年6月15日,中共中央政治局常委、国务院总理李克强在中国核电工程有限公司考察时,详细了解了华龙一号的自主创新成果,并强调指出:你们自主研发制造质量优、有竞争力的核电机组,是在铸“国之重器”,为中国发展“强筋壮骨”。

自2015年5月全球首台机组落地福建福清以来,华龙一号机组建设已成遍地开花之势。在国内,华龙一号已然是当前我国核电项目建设的主打堆型。除福清核电5、6号机组建成投产外,华龙一号还分别落户在广西防城港、福建漳州、海南昌江等地,在建及投运规模已经突破10台。在海外,作为我国“走出去”的一张重要名片,华龙一号成绩斐然,已经是当前世界核电市场上最具竞争力的三代核电机型之一。成功出口巴基斯坦的卡拉奇2、3号两台机组均已投入商运,多个国家的华龙一号项目正在有序推进。

随着华龙一号批量化建设和后续机型研发,我国三代核电技术已进入核能开发第一方阵。这既得益于中核集团完整核科技工业体系的发展基础,也有效带动了我国核科技工业体系能力的整体提升。中核集团在核工业自主创新和工程建设方面发挥了引领作用,华龙一号是中核集团勇当核电产业链“链长”的成功实践。

补短锻长,推进基础固链

在华龙一号研发建造过程中,中核集团充分利用在技术、人才等方面的优势,巩固提升了核电建造、核燃料研发应用等优势产业领域的国际领先地位,同时,加快补齐核电产业链关键领域、关键产品、关键技术的薄弱环节和短板弱项,维护了产业链稳定安全。

在核电建造方面,中核集团是全球唯一一家连续30余年不间断从事核电建造的领先企业。但面对华龙一号首堆工程,其涉及大的专业领域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。世界上三代核电首堆,不管是美国的AP1000,还是法国的EPR,大都遭遇了拖期的魔咒。的确,首堆建设难度极大,中核集团也绝不敢轻视。

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,华龙一号宣布商运。这也是世界上首个按照计划工期推进的三代核电机组。

在核燃料方面,中核集团拥有我国唯一的、完整的核燃料循环工业体系,在核燃料研发应用方面具有数十年成熟的经验。为了适应核电的迅速发展和出口核电项目的迫切需求,早在2010年,中核集团就将CF项目列为集团公司重点科技专项,全面启动自主化先进燃料元件的研发工作。

中核集团通过实施CF系列燃料组件研发,建立了CF燃料自主品牌,使得我国摆脱了无自主知识产权燃料品牌的困境,为我国自主化三代核电华龙一号等核电技术顺利出口提供了重要支撑,实现了我国核电燃料组件研发的跨越式发展,对保障我国核能事业的可持续发展具有重要意义。

除了锻造长板杀手锏,华龙一号首堆涉及75个专业,共计7万多台套设备,其中许多关键设备的设计技术长期掌握在核电强国手中。面对产业链高质量发展的卡点堵点,中核集团在华龙一号堆型研发初期就制定了关键核心设备要实现自主研发、自主设计、自主制造的堆型研发设计策略。

如此规模数量的设备研制及交货任务,带给国内制造业的,不仅体现在经济规模上,更重要的是通过参与核电建设,带动装备制造业的技术创新和转型升级。通过华龙一号装备国产化供货,促进了科技成果转化应用和设备制造产业升级,推动形成了国内每年8台套以上的完整核电设备制造供货能力。

华龙一号先进堆芯测量系统填补了国内三代核电技术堆芯测量系统的空白,性能指标达到国际先进水平;控制棒驱动机构各项指标均超出三代核电技术的设计要求,达到世界领先水平,热态寿命试验运行步数更是创造了世界纪录……设备国产化率和设备的经济性指标大幅提升,装备制造的质量、可靠性、可维修性均有保证,确保了核心关键设备不受制于人,打破了国际垄断,有力地保证了华龙一号堆型的深度自主化设计,为解决华龙一号技术出口铺平道路。

强化创新,推进技术补链

中核集团在华龙一号研发设计过程中,从基础性应用技术研究、反应堆、先进核燃料、安全系统设计到装备研制,组织开展一系列重大自主攻关,全面掌握关键核心技术,突破了各项技术瓶颈,形成700余项专利技术,开发出120多项应用技术软件,建立起了完整的自主技术体系和知识产权体系。

核安全是核电生命力的基石,华龙一号技术创新始终以提升安全性为首要出发点,其中包括“177堆芯”设计,能动与非能动相结合的安全理念,设计基准地震提高到 0.3g达到国际先进水平,反应堆冷却剂系统采用破前漏技术,增设应对设计扩展工况的安全设施等,使得电厂安全水平比法规和用户要求文件的要求至少提高一个数量级,并具有足以媲美其他三代核电机型的性能指标,确保了电厂的经济性与先进性,让华龙一号在国际市场上具有充分的市场竞争力。

相对于以往核电技术通常使用的157堆芯,核动力院的研发团队则在充分论证可行性后,独创性提出了177堆芯的方案,被誉为核工业的“中国芯”,既提高了经济性,又增加了安全性。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。

邢继于2009年担任华龙一号总设计师。随后,华龙一号研发团队独创性地提出了“能动+非能动”的安全设计理念,为多层次纵深防御提供了多样化手段,在设计基准事故时,以能动系统为主,辅以部分非能动安全手段;在出现能动安全系统不可用的设计扩展工况下,非能动系统投入运行,导出堆芯余热并冷却安全壳,避免核电厂在极端条件下发生类似福岛的核事故。

同时,日本福岛核事故后,核电站能抗多大级别地震,也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,而华龙一号则将抗震要求从0.25g提升到了0.3g。为了啃下这块硬骨头,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。最终,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。

“华龙一号是中国核工业多年来坚持自主创新的成果”,邢继说,“这背后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。”

简而言之,华龙一号的成功实践,充分表明中核集团在科技创新方面主导和引领的雄厚实力。尽管如此,中核集团还乘胜追击,为夯实巩固核领域原创技术策源地,进一步推动科技领域改革,以“小核心、大协作”理念持续推动完善先进、高效、协同的新时代先进核科技创新体系。在华龙一号的研发过程中,中核集团联合国外包括法国、美国、意大利、奥地利等14家国际组织机构,国内75家高校、科研机构、设备制造厂共同参与,协作完成了179项研发工作。通过广泛利用社会研发资源,极大地加快了华龙一号的研发进程,并取得型号研发的成功。

大力协同,推进融合强链

核电站是高度复杂的能源系统。华龙一号能顺利投入商用,除了中核集团自身具备核工业体系能力优势外,还得益于各方大力协同。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,实现了由“中国制造”向“中国创造”的飞跃。参与华龙一号设备供货的厂家几乎延伸到我国装备制造的各个领域,在围绕华龙一号更高标准的技术要求和海外出口要求开展自主攻关的同时,推动了核电装备产业链做强做大。

为响应国家核电装备国产化率提升的政策要求,中核工程联合国内装备制造企业开展了大量进口设备的国产化研发工作。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。

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。

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。比如三代核电站电缆鉴定寿命是60年,中核集团与厂家共同研发,推动电缆寿命的延长,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1/5。

为了成功出海,出口巴基斯坦华龙一号机组设备国产化率进一步提升至96%,其中关键成套设备国产化比例达到100%,第三国进口设备占比不到2.5%,妥善解决了设备供应链风险大的“卡脖子”问题,进一步提升了国内装备制造水平、打造了核电设备供应链体系,为打造华龙一号的国家名片贡献了自己的智慧和力量。

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,伴随着蒸汽发生器、主泵、DCS等核心装备的研制成功,“中国制造”逐渐变“强”,逐步进化成“中国智造”,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。

建立标准,推进优化塑链

我国核电标准化经过多年努力已经取得很大成果,能够基本满足60万千瓦级和百万千瓦级二代改进型核电厂建设的需要,但是支撑三代核电建设运行的技术标准仍然很不完善。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。标准是话语权。邢继认为,“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。”

2017年,国家能源局、国家标准化管理委员会以及国家核安全局下发《关于开展华龙一号国家重大工程标准化示范的复函》,同意依托华龙一号首堆工程,开展核电标准化示范。

通过首堆工程建设,利用四年左右的时间,华龙一号形成了2043项国内标准和1项国际标准组成的标准体系,进一步完善了优化现有压水堆核电标准体系,健全一套自主的涵盖通用基础、前期工作、核电设计、设备制造、建造、调试、运行和退役等全生命周期的压水堆核电标准体系,形成一批与国际水平相当的核电国家标准、行业标准。

华龙一号标准体系完全覆盖了华龙一号国内建设和出口所需的标准,有力支撑了我国核电技术和装备走出去,提升在国际上的话语权、主动权和影响力,助力核电走出去战略的实施。

华龙一号的成功,标志着我国已在三代核电领域跻身世界前列,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,正在加快从跟跑、并跑向领跑转变跨越。中核集团将深入贯彻落实习近平总书记一系列重要指示批示精神,牢记强核强国历史使命,努力建设先进核科技工业体系,打造世界一流核工业集团,为把我国早日建成核工业强国而不懈奋斗。



图为技术

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