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自主设计 60 万千瓦级压水堆核电站

点击: 日期:2020-10-27

(一)以我为主,中外合作

20 世纪 70 年代至 80 年代初,我国有关部门曾多次召开会议,就核电站建设规模及堆型选择等问题展开研讨。由于当时国产汽轮发电机组刚引进美国西屋公司 60 万千瓦火电机组技术,为提高国产化能力,考虑到当时国内电网容量,决定从 60 万千瓦二环路核电机组着手,将来加一个环路可建三环路百万千瓦级核电机组,再加一个环路可开发成四环路 120 万千瓦以上核电机组。为实现这一愿景,叶奇蓁与秦山二期工程建设者花了 3 年时间进行方案论证,在“以我为主,中外合作”方针指引下,先后与德国 KWU 公司、美国西屋公司、法国法马通公司、日本三菱公司等进行交流和合作谈判。通过谈判,了解到核电是政治敏感技术,代表国家科技和工业水准。有的国家不批准向中国出口核电设备,有的国家技术转让还要经原技术输出国同意。也有国家引进后经过改进创新,不仅超过原设计水平,还有了自主知识产权。

(二)方案推进,工程立项

1981 年,核一院完成双环路 60 万千瓦压水堆核电站全部方案设计,并向二机部呈送 《 关于我国建造 60 万千瓦标准压水堆堆型核电站的建议》。同年 7 月和 12 月,有关部委先后在北京召开主设备方案讨论会和方案审查会,一致认为该方案比较深入,考虑了工程问题,是现实可行的。1985 年,核二院参加方案论证,汇编 60 万千瓦科研试验项目、软件开发项目、基本设计和详细设计的内容和深度要求等技术文件,编写 60 万千瓦级核电站设计技术要求,收集并翻译西德、法国、日本、美国、南斯拉夫等国家核电站标准、QA 文件等。为适应技术引进和核电站总体设计,核二院成立核电厂总体设计室。

1986 年 3 月,核一院、核二院与东方公司、西南电力设计院共同完成 60 万千瓦级压水堆核电站初步可行性研究。同年,按照与德国 KWU 公司合作模式,按照 KWU 设计,完成 60 万千瓦级压水堆核电站的“影子设计”。与此同时,核一院创造条件开展核电技术研究,重点抓研制周期长、技术难度大、对总体性能有重要影响的项目,包括大型核电站 17x17 燃料组件定位格架及假组件研制和 4x4 高性能燃料组件的堆内考验,为后来承担秦山二期工程设计工作打下了良好基础。

1987 年 10 月 29 日,秦山核电二期工程正式立项,并列为国家“八五” ( 1991 一 1995 年)计划重点工程。工程决定采用招投标确定设计单位,核二院于 1988 年 2 月中标,成为秦山二期工程总包设计院,与相关单位签订了设计与技术服务三大合同,在时任核二院秦山二期工程总设计师倪武英及李晓明、马一、王长东等人带领下开展总体设计工作。核一院在副院长孙玉发带队下,取得秦山核电二期工程反应堆及反应堆冷却剂系统设计资格范围内研究设计工作全面开展。合同有关部门和核电业主提出以大亚湾核电站为参考,与法国进行合作的指导思想,核一院、核二院依据法国核电设计建造标准( RCC ) ,并参照核工业部发布的系列标准对顶层设计准则进行系统和设备的设计。1992 年,秦山核电二期工程初步设计方案完成并提交审查,次年方案通过有关部门审查,项目转入施工设计阶段。1996 年,秦山核电二期工程开工,核岛浇筑第一罐混凝土。

(三)顶住压力,渡过难关

秦山核电二期工程的历程就是一条自主创新的路径。1989 年我国发生政治风波,欧美等国借此对我国实行制裁,不提供贷款,秦山核电二期的“中外合作”产生危机。是不屈不挠地继续进行下去,还是等待时机再搞?秦山核电二期工程建设者下定决心,“项目必须搞下去!”叶奇蓁同大家一道,发扬“两弹一星”精神,自主设计,吸取秦山一期经验,参考当时正在建设的大亚湾核电站,利用一切可能得到的资料,自力更生地继续开展厂址前期工作、可行性研究、总体设计、初步设计、试验研究和科研攻关。这一阶段的努力,奠定秦山核电二期工程二环路核电站特有的技术方案及自主创新基本思路。1991 年,在与法马通公司和法国电力公司交流时得到肯定,从此逐步开展与法国的设计和技术合作。

(四)关键设备的国产化

秦山核电二期工程设备采购立足国内,采取科研攻关自主研制、进口设备返包国内制造、技术转让国内生产等多种形式,促进我国机械、电子、仪器仪表等相关产业升级换代和制造水平提高。在反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆内构件、汽轮机、发电机等 55 项关键设备中,47 项实现国内制造。尽管因资金不到位致使部分设备用国外贷款而进口,但是最终 l 号机组国产化率仍达到 50%、2 号机组 60% ,平均 55%。为推进秦山二期设备国产化,核一院及核二院开展了大量调研、分析、标准化研究和相关科研开发。

(五)核心技术创新与改进

秦山二期核电站是我国参照国际先进核电站设计建造标准,贯彻“以我为主,中外合作”方针,首次实现自主设计、自主建造、自主管理、自主运营的 2x650 兆瓦商用核电站,做到了包括堆芯设计、安全壳设计、核岛厂房布置、安全系统改进等 300 多项核心技术创新和改进,使反应堆固有安全性能、安全系统可靠性和冗余度、严重事故预防和缓解能力等得到全面优化。在反应堆热工安全裕量、安全系统可靠性和冗余度、反应堆压力容器耐辐照寿命上,满足 URD (用户要求文件)要求,与国际同类核电站相比具有较高安全性。在统一标准规范体系下,选取技术性能优越的主设备,科学合理地处理标准规范相容性和接口一致性,使核电站综合技术水平达到国际同类核电站水平。核电站出力是同类二环路压水堆核电站中最大的,毛效率也是同类核电站中较高的,且比投资是世界各国商用核电站中最低的,具有明显经济优势。

在秦山二期核电站建设中,核二院设计人员通过计算,在国内首次采用安全壳钢衬里穹顶整体吊装对接方案,取代之前采用穹顶分片或分段吊装在高空中对焊方案。钢衬里穹顶直径 37 米,高 11.5 米,整重 163.5 吨,对接在 48 米高空进行,对接截面仅 6 毫米。通过整体吊装,缩短核电站建设工期,避免分片或分段吊装在高空中对焊而引起的焊缝质量问题及受力不均匀问题。这一技术后来被广泛用于国内其他核电站建设中,对我国核电站设计和建造产生重大影响,对加快核电站建设起到积极作用。为满足工艺双回路对称布置需要,秦山核电二期工程安全壳结构设计技术总负责人陈矛带领刘巍、张超琦等人刻苦攻关,采用先进双扶壁水平预应力束锚固方案,经过海量力学分析计算,完成安全壳结构设备闸门等非连续区复杂预应力效应力学分析和空间三维曲线预应力束张拉伸长值计算,实现中国首台大型商用核电站安全壳设计、建造自主化。在“九五” ( 1996 一 2000 年)期间国家外汇极其紧张情况下,大幅度降低了安全壳建造成本,为此后核电项目采用国产钢绞线材料奠定技术基础。2004 年,“秦山核电二期工程安全壳结构设计”获得全国优秀工程勘察设计金奖。

2002 年 4 月 15 日,秦山核电二期工程 1 号机组比计划提前 47 天投入商业运行,仅用了一年半时间负荷因子就达到世界先进水平。2 号机组于 2004 年 5 月 3 日投入商业运行。这一成就向世人宣告:中国有能力设计和建造大型核电站。我国走出一条核电自主发展之路,实现由原型堆向大型商用核电站的重大跨越,为我国自主建设百万千瓦级核电站奠定坚实基础,对推动我国核电自主化发展具有重要现实意义和深远历史意义。“秦山 600 兆瓦核电站设计和建造” 2003 年获得国防科学技术奖一等奖, 2005 年获得国家科技进步奖一等奖。

秦山核电二期扩建工程是我国自行设计建造的第一座大型商用核电站 ― 秦山核电二期工程“翻版+改进”项目,也是我国“十一五” ( 2006 一 2010 年)期间开工的第一个核电项目。核二院作为该项目设计总包院,在设计中依据秦山二期运行经验反馈进行总计超过 1000 项的改进。这一系列改进使得秦山核电二期扩建工程可靠性和安全性提高到一个新水平,在设计自主化和设备国产化方面再上一个台阶,设备国产化率不低于 70%。两台机组分别于 2010 年 10 月 5 日、2011 年 12 月 30 日投入商业运行。



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