三代核电关键设备来自上海设计：国产化率已超85%

本文转自：第一财经

国和一号总设计师、上海核工院院长郑明光说，我国三代核电核能产业链已基本完成，关键设备材料基本实现自主化设计和国产化制造。

12台展示设计分析器功能的屏幕排成两行，实时反映核电厂的运行状态、设备参数。这是第一财经记者在国家电投上海核工程研究设计院（下称上海核工院）“核电人因工程实验室”中看到的情景。

而这仅仅是核电领域数字化设计的一部分。

“数字化改进使秦山核电站的技术水平提升不少，也为其延长20年使用寿命提供了科学依据。”上海核工院人因工程带头人宋霏说。

自1991年12月底秦山一期核电站并网发电至今已经28年。其间，“创新”成为三代核电建设关键词，一批重大自主研发、带动加工制造的精密设计不断涌现，装备制造业能力跨越式提升。

根据《中国核能发展报告2019》，核电在中国发电量中的占比将从2018年的4.22%上升到2035年的10%左右；由于具有稳定且不波动的重要优势，核能发电仍将在未来30年间弥补能源市场空缺。高质量下的核电事业才刚刚起步。

CAP1400全厂概念图。来源：上海核工程研究设计院

自主研发是命脉

此前，我国核电产业一直受制于人，设计自主化、材料国产化，以及关键设备配套方面都是核电产业的薄弱环节。2008年，“大型先进压水堆核电站”启动，推动我国核电产业链从二代跨越到三代。

一批批工程技术人员、科研人员通过引进消化吸收先进技术，通过大量试验、多轮验证，逐步建立先进核电自主研发设计体系、试验验证体系、标准体系以及装备供应链体系，690U型管、主泵、爆破阀这些以往受制于人的材料和设备都突破了国外垄断与技术壁垒。

2018年11月厂址前期勘察。来源：上海核工程研究设计院

“我国三代核电核能产业链基本完成。” 国和一号总设计师、上海核工院院长郑明光表示，“其中关键设备材料基本实现了自主化的设计和国产化制造，设备国产化率已超过85%，每个主设备都对应了2~5家具备能力的制造商。”

核能核电建设极为复杂。作为前端，国家电投旗下的上海核工院不仅要负责各类堆型的研发、设计与验证工作，还要为制造、建造环节提供技术支撑。这其中，反应堆的安全性、经济性和环境相容性是衡量核电水平的关键。

以国家科技重大专项国和一号（CAP1400）为例，该核电机组是在引进、消化、吸收AP1000世界先进三代核电技术基础上，结合日本福岛事故经验反馈，再创新形成的具有完全自主知识产权的核电技术，“CAP1400的安全性、经济性和环境相容性达到了世界领先水平。”郑明光说。

首先是安全性。上海核工院总体技术部主任助理程书剑告诉记者，堆芯损伤、大规模释放是核反应堆机组两项重要安全问题。一方面，上海核工院将国和一号钢制安全壳厚度进一步加厚、直径从原来的39.6米扩大到43米；另一方面，具有独创性的COSINE核电安全设计软件系统，先进的基于FPGA技术的NUPAC和NUCON数字化保护及控制系统平台也是有力基础。

一系列从内至外的创新设计下，核电机组的抗震、防飞机撞击能力大幅提升，事故发生率也降低在10的负6次幂以内。

其次是经济性。郑明光说，除了该机组下的非能动技术可减少占用一定物理空间之外，其高度自动化的设计理念还能降低一定的人力成本。

同时，国和一号（CAP1400）通过将反应堆低压损设计，使流量增加21%，效率提升至1500MWe左右。

“每个大项关键试验里面都有很多子项的研究内容，主要是把可能对设计、安全有影响的因素全部摸索或挖掘出来。”参与项目的工作人员说，“比如，有个非常小的泠凝试验，我们仅跟联合单位正式的来往函件就接近70份；综合性能试验《试验大纲》，从联合单位提交的征求意见稿80页，来回修订4次，到最终的140页。”

创新还体现在一些数字化设计的场景中。工作人员说，由于人的操作失误导致的问题占70%，而核工程设计极为复杂且有上千接口。因而，从设计端开始，到验证、制造、建造、运维等各环节引入数字化运维的理念至关重要。

以数字化作为基底、电厂实景为依托的全息监测系统也已在核电厂投入使用。“一旦有安全问题发生，系统可以立刻通过人的位置计算出核电厂内的最优逃生路线。”宋霏说。

截止到6月底，我国在运核电机组达到47台，装机容量近4800万千瓦，排名世界第三。其中，国家电投控股运行核电机组6台，装机容量698千瓦。

“重大专项大型先进压水堆核电站是国家中长期发展规划里确定的科技发展和经济发展重大项目，它的目标是通过这个项目建设一个中长期的核电站，在国民经济和科技发展上有重大意义。”被誉为中国核电之父的欧阳予院士说。

创新赋能制造端

如果说自主、创新的研发设计体系是核电建设的先行基础；那么，实现关键设备的国产化制造同样考验实力。

第一财经记者在走访上海电气临港基地时了解到，该基地承担了核电站关键主设备的制造，包括核岛的堆内构件、控制棒驱动机构、蒸汽发生器、压力容器、稳压器、核主泵及常规岛的汽轮机、发电机等，仅上海第一机床厂有限公司就承担了全国95%以上堆内构件及控制棒驱动机构的制造。

CAP1400控制棒，摄于上海第一机床有限公司车间外

“核电领域内对产品的制造要求要远远高于其他产业。”上海电气核电设备有限公司制造部单杰告诉第一财经记者，“核电设备要求要具备足够的安全性和稳定性，所有设备均需通过严格的检测及试验才能交付。”

在这个精工车间长约20米、宽约8米的机床上，一台蒸汽发生器正在进行管板打孔。单杰介绍，管板上打孔数量为1.2万余个，每打一个孔的时间在10分钟左右。

而一旁被称为世界最大的CAP1400蒸汽发生器，需在管板上打孔2.5万个，重量超过800吨。设备制造完成后会通过专用驳车装运至附近码头，并通过船运交付至国内各个业主方。

除了大型设备，一些中小型部件的制造也深有讲究。记者在承担堆内构件生产的上海第一机床厂有限公司车间内注意到，某堆芯围筒组件的环板并未采用以往的人工焊接形式，而是改用了激光焊接技术。

“这一激光焊接技术由我们首创研发。”该车间工作人员说，“这样的焊接方法能将8块W形板、C形板一次焊透成型，且可将变形量控制在最小程度，并将焊缝控制在16mm的精准熔深。”

随着水声望向另一端，是均流板在进行加工，其在堆内的作用是均匀分布冷却剂。“这是加工耗时最长的部件了，以员工三班倒来计，也要12个月左右完成。”该工作人员说。

上海电气核电集团专利墙，摄于该公司临港建造基地

临港基地是我国核电自主建造实力的一个缩影。从图纸到部件，我国全面掌握了屏蔽电机主泵等29项关键设备技术，成功研制出超大型锻件等40余项关键材料，也带动了一批为核电配套的装备和零部件生产企业。

上海电气核电集团党委书记何延庆表示，“未来3~5年，我们要完全具备三代核电主设备成套供货的能力，并突破核电厂运维（运营与维护）服务国内外市场，积极拓展新产业与新业务。”