实地探寻中国核电自主创新之路

2023-04-30 22:36  来源:中国能源报    华龙一号  核电设备  核能综合利用  三代核电  核能供暖  秦山核电站  浙江核电站  福建核电站  漳州核电站

我国核电经历了从跟跑到并跑再到领跑的自主发展历程,同时成功实现了从发电到多元化综合利用的蜕变。


我国核电经历了从跟跑到并跑再到领跑的自主发展历程,同时成功实现了从发电到多元化综合利用的蜕变。

▲漳州核电基地 中核集团/供图

驱车进入漳州核电基地,经过安检后,繁忙有序的景象随即映入眼帘——漳州核电1、2号机组的灰色核岛并排矗立,各类机器正在施工,身穿不同工服的工人正紧张有序地穿梭于施工现场,“华龙一号”批量化建设项目已然拔地而起。置身基地远眺,对面半山腰上,徐徐旋转的风机叶片与如火如荼建设的核电站遥相呼应。

日前,《中国能源报》记者走进中国核动力院、秦山核电基地、福清核电基地及漳州核电基地,实地探寻自秦山核电站成功并网三十余年来,我国核电从跟跑到并跑再到领跑的自主发展历程,同时成功实现从发电到多元化综合利用的蜕变。

从“跟着跑”到“领着跑”

“一回路反应堆功率稳定”“汽轮机各项参数正常”“蒸发器水位稳定”“所有参数符合设计标准”。华龙一号首批女操纵员孟晓薇(角色名)激动地说:“我宣布,华龙一号全球首堆于2020年11月27日零点四十一分首次并网成功!”

这是电视剧《许你万家灯火》中展现我国自主三代核电技术“华龙一号”首次成功并网发电的片段。这部电视剧用32集讲述了“华龙一号”从设计建造到成功并网发电的故事。但对真切参与“华龙一号”项目的核电人而言,从1996年“177堆芯”方案提出,到2020年首次并网,再到2021年正式投入商运,他们经历的是风雨兼程的25年。

秦山核电站是中国核电的起步之地,于1985年开工建造。“对当时的中国来说,设计30万千瓦级核电站是摸着石头过河。” 秦山核电总监朱晓斌告诉《中国能源报》记者,“那时,中国的核电不仅受国际环境的限制,本身还缺少全方位的人员培训、管理体系及软件开发框架。作为首批高级操纵员,我们都是去国外学习。那时候英语好的人没几个,要用英语学习和操作,更是难上加难。”

从1991年秦山核电站并网发电,到如今9台机组总装机容量666万千瓦核电机组,年发电量约520亿千瓦时……秦山核电基地实现了中国大陆核电“零的突破”,更见证了我国核电技术更迭升级、多堆型多机组安全高质量建造运营的发展历程。

作为我国自行设计、建造和运行管理的第一座核电站, 秦山核电站成功投产后,彼时的中国核电人在思考——什么时候中国能有自己的百万千瓦级核电机组?《中国能源报》记者在走访过程中了解到,在秦山核电二期工程设计任务完成并顺利开工后,时任中国核动力院副院长的张森如召集了十多位技术骨干,开展了设计自主知识产权百万千瓦核电机组的讨论。经过一系列讨论、计算、验证,最终确定了“177堆芯”设计、更大尺寸的压力容器等重要技术参数,形成了CNP1000技术方案,也就是“华龙一号”的雏形。

相较于二代和二代加核电,“华龙一号”在“177堆芯”的创新之上,为达到全球最高安全要求,开创性采用了“能动与非能动相结合”的安全设计理念。2021年,“华龙一号”全球首堆福清核电5号机组正式投入商业运行,标志着我国在三代核电技术领域跻身世界第一方阵。“福清核电全面总结‘华龙一号’示范工程建设管理经验,出版中英文《华龙一号标准化管理手册》《华龙一号标准化技术手册》,编撰《华龙一号示范工程创新与实践系列丛书》,形成一整套可复制的标准项目管理体系,为后续核电建设提供可借鉴的‘华龙模式’。”福建福清核电有限公司运行三处处长朱金刚介绍到。

漳州核电则是“华龙一号”首个从示范工程走向批量化建设的项目,中核国电漳州能源有限公司工程管理处副处长李辉忠介绍,漳州核电1、2号机组分别于2019年10月和2020年9月开工,项目规划建设6台百万千瓦级华龙机型核电机组。

“漳州核电一期工程在安全性和性能提升上实施了重要设计改进49项,运行优化156项。”中核国电漳州能源有限公司工程计划处进度管理科副科长欧勋向《中国能源报》记者说。

如今,“华龙一号”作为“国家名片”走出国门,成功落地巴基斯坦等国,其中巴基斯坦卡拉奇2、3号机组已实现商运,中核集团也与多个国家和地区建立了核电项目合作意向。


▲漳州核电基地 中核集团/供图

从“卡脖子”到“中国造”

核电技术创新,还体现在关键设备及安全管理系统的进步。《中国能源报》记者在走访中了解到,在我国核电技术迭代的研发过程中,设备国产化、软件自主化的实现都经历了异常艰辛的攻关过程。

蒸汽发生器是核电站不可或缺的主要设备之一,被称为“核电站之肺”。蒸汽发生器结构复杂,内部零件达上万个且价格昂贵,动辄就要花费上亿元人民币。以往大型核电站蒸汽发生器的设计技术及知识产权掌握在少数几家国外设计公司手中,他们对这项技术进行了长期封锁。为解决这一“瓶颈”,中国核动力院坚决启动了蒸汽发生器的技术攻关。

“决定进行自主研发时,条件很艰苦,没有经费自己筹,没有试验设施自己建,我们第一个大型试验装置就建在河南南阳的油田里,借他们的高温高压蒸汽做试验。”“华龙一号”蒸汽发生器设计总师张富源说,仅仅27个月后,用于“华龙一号”的第三代核电ZH-65型蒸汽发生器问世,而美国、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。与此同时,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、蒸汽湿度更低、经济性更好。

蒸汽发生器不是孤例。“华龙一号”的反应堆压力容器、堆内构建、控制棒驱动机构等关键设备都实现了“中国造”。据了解,中国核动力院在“华龙一号”方面共申请国内专利270余件,国际专利30件,覆盖了设计、燃料、设备、软件等领域。

“‘华龙一号’示范工程国产化率达到88%,机组自投入商运以来始终保持安全运行,充分验证了‘华龙一号’的安全性、先进性和可靠性”。福建福清核电有限公司党委宣传部副部长方胜杰说。

此外,漳州核电1号机组还是国产安全级DCS“龙鳞系统”首次应用的核电机组。DCS(Distributed Control System)即集散控制系统,被称为核电站的“中枢神经”,是核电站安全运维的关键,可提供各种控制和保护手段及监控信息,确保核电机组在不同工况下都能够安全、可靠和有效运行。

2013年,中国核动力院启动“龙鳞”系统研发工作;2018年,“龙鳞”系统完成核心技术攻关;2022年,在历经7年科技攻关和3年工程实践后,漳州核电1号机组安全级DCS系统成功起运交付。

“‘龙鳞’系统的应用,使我国核电运维在安全性和经济性上都有所突破,更是我国核电装备制造能力提升的显著标志。”中核国电漳州能源有限公司设备采购处副处长江振标感慨道。


▲漳州核电基地 中核集团/供图

从“核电”到“核能+”

梳理我国核电自“零的突破”到“核能+”产业的发展之路,从核能发电到核能综合利用的脉络已然清晰。

在秦山核电基地,浙江海盐核能供热示范工程利用该基地机组剩余热功率向海盐县公建设施、居民小区及工业园区提供核能供热。“核能供热是由核电机组产生的热能,通过多道热闭式循环送至用户。过程中只有热量交换,没有介质交换。同时通过回路压差设计、设置高精度监测装置等措施,确保核能供热安全可靠。”秦山核电科技创新处主任工程师张云华介绍。

作为南方首个核能供热项目,目前秦山核电核能供热项目已实现海盐县城区3个居民小区稳定可靠安全供热。根据规划,核能供热项目全部建成投产,满足400万平方米供热需求。相对于南方地区用电取暖方式,每年可节约电能消耗1.96亿度,相当于每年可减少燃用标煤约2.46万吨、减排二氧化硫1817吨、氮氧化物908吨、二氧化碳5.9万吨,对海盐当地生态环境保护和节能降耗有着重要意义。

作为目前我国堆型最丰富的核电基地,秦山核电三期重水堆除了发电,还可用于医用同位素生产,这令《中国能源报》记者耳目一新。

“碳-14同位素在医学领域中应用十分广泛,如用于幽门螺旋杆菌检测等。我国之前的碳-14同位素供应几乎全部依赖进口,价格昂贵、供应无法保障,已严重制约相关产业发展。秦山核电辐照生产碳-14同位素投产以后,年产量可满足国内需求并有盈余,可保证国内需求,同时还能支撑部分出口。” 秦山核电专项工程处重水堆研发科副科长樊申还告诉《中国能源报》记者。

此外,在探索多能互补发展模式方面,漳州能源打造 “以核为主,多元化发展”战略。“用电量具有波峰和波谷,但对核电站而言,核燃料不论发电与否都有损耗。因此,为了提升核电站发电效率,应对日益严峻的电网系统调峰压力,可以将核电与抽蓄相结合。核电站可以利用抽蓄水库的蓄能调峰能力,在用电低谷时将发出的电以抽蓄的方式蓄积起来,等到用电高峰时再借助水的势能来发电,达到能源的互补效应。”欧勋分析。

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