国家重大专项CAP1400解密:总设计师谈中美核电技术博弈

澎湃记者 李跃群 杨漾 王心馨 贺梨萍

2014-06-05 18:47 来源:澎湃新闻

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在全球核电复苏遭遇寒潮之际,中国则决心逆势而上。其间,不仅需要国人克服对核电安全隐患的顾虑,更需重塑中国核电安全技术在全球的新地位。IC 资料

        中国在核电发展上雄心勃勃,在建的核电机组数量逾全球40%。在一个人口如此稠密的国家,核电的安全,关系到13亿人的命运。而恰恰是这一点,在福岛核电事故发生之后,变得尤为重要。
        在全球核电复苏遭遇寒潮之际,中国则决心逆势而上。其间,不仅需要克服国人对核电安全隐患的顾虑,更需要重塑中国核电安全技术在全球的新地位。如何从安全性出发,并拥有具有自主知识产权的大型先进压水堆核电技术,成为中国即将启动新建核电项目的核心问题,也是中国能源界和核电界的梦想的起点。
        与二代不同,非能动三代核电机组在堆芯熔化概率和大规模释放放射性物质方面的概率,要比目前主流的第二代核电机组大约低100倍。这近100倍的关系,意味着大规模释放放射性物质的概率在工程学上可忽略不计。
        此外,日本大地震及海啸也暴露了一个问题——二代核电机组会由于失去所有能动安全系统而出现冷却失灵,造成堆芯熔毁,带来巨大危害。而非能动三代核电机组则可在72小时之内无需人工干预,通过重力、自然循环等方式进行散热,从而避免福岛核电站的悲剧。
        作为中国在压水堆重大专项技术上的自主创新,非能动三代核电技术——CAP1400把中国的核电技术推向了一个新高潮。中国高层希望,通过中国本土化的实践,能让中国也能像美国、法国、韩国一样,在满足国内核电自主建设发展的同时,实施核电成套技术“走出去”的战略,赢得世界核电大单。于是,以AP1000、CAP1400为代表的第三代核电,被中国高层确立为未来的主流机型。
        CAP1400是压水堆重大专项示范工程的代号,是在引进、消化、吸收美国西屋公司AP1000技术基础上的再创新。“C”为“中国”英文单词的首个字母,“A”、“P”分别是“先进”和“非能动”英文单词的首个字母,CAP1400含义为中国装机容量为140万千瓦的先进非能动核电技术。
        按计划,作为国家重大专项,CAP1400有望在今年8月浇注第一罐混凝土,并将一步步地从图纸变为现实。
        就CAP1400在研制过程中的挑战、其将如何推进核电管理体系的完善等问题,澎湃记者专访了上海核工程研究设计院院长、国家重大科技专项《大型先进压水堆核电站》总设计师郑明光。
中国如何突破美国人设下的135万千瓦净功率红线
       “西屋公司提出来说,你这个反应堆的毛功率基本上能达到135万以上,但净功率只有128万到129万,根据这样的情况,知识产权不属于中国,因为净功率还差6至8万千瓦。那么我们说,当时合同规定的1350是毛功率,但他说合同上面没写是毛,也没写净。但是中国能源界在谈比如百万级,一般都是按毛功率算,没有说是净功率的。我们一直想跟美国人打官司,但这种事情是很难打清楚的。因此回来以后,征得国家核电董事长的同意,上海核工院就对整个方案进行了比较大范围的调整。”
       澎湃:西屋公司在技术转让时,划了一条红线,中国消化吸收后的机组装机容量只有突破了135万千瓦之后,才能视作拥有自主知识产权,并出口国外。把自主知识产权的门槛划到了135万千瓦之上,突破这一功率难度在哪?
       郑明光:难度应该讲还是非常大的。事实上我们和西屋公司之间有过多次交涉。2007年,当时国家核电任命我为重大专项大型先进压水堆重大专项工程的总设计师以后,我组织了我们院的相关团队进行了方案的研究。当时就确定了两个型号,一个是CAP1400,一个是CAP1700,当确定这个两型号的时候,一般讲一个毛功率达到140万左右,一个毛功率是170万左右,这是两个基本前提。第二,安全性要不低于AP1000、经济性要好于AP1000,整体设计寿命60年,这对整个设备的可靠性设计、系统的可靠性设计都提出了更高的要求。
       这些三代制造技术要求的变化,我们的装备制造业开始的时候有很多跟不上,所以2007年12月17号、18号,国家能源局在北京国家能源局对这个实施方案进行审查的时候提出了很多边界条件要求,当时的说法是,主泵基本不能动,CAP1400里面就用AP1000的主泵。那我们只能适当增加流量,比如说降低扬程、增加流量,但就是不能做大的变化,还有蒸汽发生器不能大动等等。
  另外,安全壳直径,也不能发生变化。这些边界条件设了以后,实际上对我们来说有很大的空间限制,你要想再增大功率,在当时条件下基本不可能。因为AP1000的安全壳内部空间本来就非常紧张,39.6米的安全壳直径,根本没有办法放下更大的蒸汽发生器。反应堆堆本体已经增加了近40公分的直径,那么在安全壳没有放大的情况下,安全壳厂房里面的布置就非常困难。但是我们想了办法,就是把原来CAP1400第一方案的3730的反应堆热功率升为3820,提了90个兆瓦,这主要是为了满足在内陆也能有140万左右的毛功率。
       但是2009年到美国跟西屋公司进行会谈的时候,当时我记得是11月份,西屋公司、东芝公司提出来说,你这个反应堆的毛功率基本上能达到135万以上,但净功率只有128万到129万。对方自称是日本东芝公司搞汽轮发电机的,根据这样的情况,这个知识产权不属于我们,因为净功率还差6至8万千瓦。那么我们说,当时合同规定的1350兆瓦是毛功率,但他说合同上面没写是毛,也没写净。中国能源界在谈比如百万级,一般都是按毛功率算,没有说是净功率的。我们一直想跟美国人打官司,但这种事情是打不清楚的。所以回来以后,征得国家核电董事长的同意,我们就对整个方案进行了比较大范围的调整。
       当然,调整是有科学依据的。第一,我们的工程技术在不断进步,特别是三门,当时钢安全壳开始加工,我们就跟相关部门,包括国核设备、上海电气等进行了沟通,也做了试验,验证了钢安全壳的厚度可以增加,现场的热处理在工程上不是不可克服的难点。在这样的情况下,我们就把钢安全壳的厚度进行加厚,并进行了重新设计,把原来的39.3米至39.6米的安全壳直径扩大到43米。
  这一扩大以后,就开辟了另外一片天地,可以对整个设备进行了重新的谋划。这时候,我们就把蒸汽发生器扩大了将近25.7%的流通面积,换热面积增加了27%至29%。换热面积增加,主管道的流通面积增加了将近30%。原本在AP1000里,像管道的流速等一些指标,都是高于美国核电用户要求文件(URD(utility requirements document))要求的。
       在这个情况下,把主管道扩大,增加蒸汽发生器的流通面积,使整个回路的流通特性或者传输的优化得到体现。扬程乘以流量就是主泵功率,我们把这部分进行了适当的调整,原本的想利用现有AP1000的现有设备,扩大堆芯,扬程降低5%,从而增加流量;最终方案改为,扬程基本保持不变,流量增加到17%。这是第一个门槛。
       然后,通过上海电气KSB公司的协调和研究,觉得流量还可以再增加,最后我们把CAP1400的流量相对于AP1000的主泵增加到21%。在这种情况下,CAP1400作为一种型号来说,无论是一回路平均温度也好,流量也好,二回路的整个蒸汽压力也好,特别是整个机组的效率也得到了比较好的提高。因此,突破1350MW净功率的实现,实际上是一个根本性的创新。如果不是根本的性创新的话,是很难在原来AP1000的基础上通过改变一些其他手段,比如说降低安全裕量、挖潜力的方法等等,所能达到的。
       因此,CAP1400设备,如反应堆堆芯,从157盒燃料组件变成了193盒燃料组件,是完全的重新设计,堆芯内的流场分布、流量分配、流致振动都要经过重新试验。为此,共进行了6个大项的试验研究,每个大项里面都有很多子项的研究内容,主要是把可能对设计有影响的因素全部摸索或者挖掘出来,挖掘对安全上有影响的因素。
       关于试验的目的,我们认为有三个:第一就是支撑设计,第二是支撑安全审评,提供相应的支持性材料,第三是为以后的设计工具、分析程序的自主化研发积累数据。没有这些试验研究结果,单靠自己开发的程序验证是非常困难的。过程当中,我们对反应堆的结构进行了重大改进。到目前为止,在反应堆的结构方面有很大的进步。同时在流致振动方面,也进行了相应的试验。对蒸汽发生器也进行了全面的研究,不但汽水分离器本身是完全自主化的开发,同时对蒸汽发生器的整体设计,包括60年寿命的考核、U型管的磨蚀、相应材料特性的研究等等做了大量的试验。
       对于非能动的整个系统,在发生事故的情况下,怎么样能保证反应堆的长期安全等等,这些问题也进行了台架试验研究。安全壳不但是放射性的最后一个屏障,它更是核电站安全系统的最终热阱。因此我们对于安全壳性能、安全壳的内部行为、安全壳的外部冷却能力等问题都展开了全范围的研究。
       通过这些研究,把整个非能动技术,把目前整个核电设计的安全概念进行了全面的分析研究,使整体的设计能力包括分析能力得到了加强。反过来,这也支撑了设计,对于下一步的非能动型号系列化的发展会起到作用。
       所谓非能动型号系列化,就是在策划过程当中,我们认为中国需要大型号,比如说CAP1000、CAP1400、净功率在170万的CAP1700等新型号。主要考虑到中国的厂址资源比较有限,大机组对于大电网,比如说将来发展到20亿千瓦,甚至到30亿千瓦情况下的大电网,对于我们国家能源结构的调整和能源安全都有非常大的作用。也就是说,首先需要立足于国内的核电市场的发展。
  那么,怎么兼顾考虑到国际核电市场的发展?因此,现在我们也在设计中型的,比如说CAP400、CAP700,甚至我们还将推出一些小型机组,如CAP50到CAP250,主要是满足国际上不同发展的需求,使先进的核电技术、中国巨大的装备制造潜能能够在世界核电发展过程中发挥主导和推动作用。  
   
郑明光

与美国西屋公司的海外师徒竞技
  除中国外,西屋公司正在力推AP1000的海外市场包括巴西、南非、越南等地,这与中国未来CAP1400的出口方向有较高程度的重合。对于两者之间潜在的竞争关系,西屋公司(Westinghouse Electric Company)副总裁、中国区总经理高礼霆(Timothy Collier)今年4北京核工业展上接受澎湃采访时说,“在上述地区,AP1000确实可能与CAP1400出现竞争。但是这些国家的项目还是处于一个非常早期的阶段,别说开工建造,连竞标估计还需要很长时间,所以现在也都还不好说。”
  眼下,西屋公司对中国CAP1400项目兴趣正浓。高礼霆对澎湃表示,西屋公司正在与国家核电技术公司进行一系列谈判,希望能够参与其中。但据知情人士透露,事实上美方一开始对CAP1400并不是那么热情。直到国家核电技术公司突破了一系列技术瓶颈,美方的态度才开始转变。
    澎湃:说到海外市场,目前西屋公司比较活跃的地区包括巴西、南非、越南等地,而上述国家恰恰也正是中国CAP1400的主要出口市场。未来CAP1400AP1000是不是一种竞争关系?
    郑明光:CAP1400AP1000肯定是竞争关系。刚开始的时候我们要做CAP1400,西屋公司不愿意跟我们合作。我们邀请他来参加,一开始也不是很积极。现在国家核电的基本方针:AP1000西屋为主,我方参与;CAP1400我们为主,西屋参与。
        至于出口方向,因为需求都来自这些地方。今年52829号在上海开了一个核供应商年会(注:由国家核电和西屋公司联合召开),让产业链上的团队、产业联盟,都来了解情况、共享成果,当然西屋也从这个产业联盟里得益不少。因为现在各个国家采购西屋的,价格是很贵的。中国的CAP1400某种程度上是质优价廉。市场方面,有些国家的电网容量确实比较小,将来AP1000也许有一定的生存能力。但是大部分的市场,我觉得CAP1400的竞争力要大于AP1000。而且我感觉到,如果人家了解更多情况以后,也许会更青睐于中国的CAP型号。我认为,中国未来的非能动的主流方向还是CAP1400,以及随后的CAP1700
  澎湃:上次的北京核工业展上,西屋公司也表示希望AP1000的单位造价最终可降到3600美元/千瓦,但这相比CAP14001.6万元人民币的造价还是高出不少。
  郑明光:对,照目前的情况,西屋公司实现3600美元/千瓦的目标也很困难。像美国的VC SummerVogtle价格都要远高于此((注:可作参照的是,目前美国Vogtle核电项目在建的两台AP1000机组,设计的总造价约为140亿美元左右,工程造价折合每千瓦为6360美元。)
  所以中国的产品还是很有竞争力的。但是我们也应该要考虑研发过程中的投入。因为开发CAP1400这个型号,国家在重大专项上投入100多个亿(人民币)。投了这些钱,国家应该有回报,企业的投入也应该有回报。所以价格里肯定要考虑这些因素。当然,怎么样的价格合适,将来可能还需要一个战略上的策划。
  我们跟越南也好、南非也好,还有英国、土耳其,都有相应的接触。中国的先进技术将来一定会走出去的。因为总理也有要求,第一要走出去,第二要有国际份额。所以CAP1400中国如果开建,人家来看,造的是奔驰600,价格却只是一般奥迪、甚至是帕萨特的钱,人家肯定会来买。
  跟西屋公司之间总是既有竞争又有合作。这个战略关系看怎么维持,西屋公司如果发展,我们能够持续和他合作,如果西屋公司不发展,中国也很快会超过他。
  澎湃:现在国家核电是否已经在为南非三代核电的专业操作人员开展培训?
  郑明光:这个还没开始,培训协议是签了,但他们的能源部长和中方还有一个启动仪式。
改进核电审批流程
       中国核电之前是“万国牌”,引进了几个国家的堆型,每个电站都不一样,这样发展下去难以形成合力。
       统一技术的好处首先在于,加工制造厂可以根据统一的技术要求来做,可以大幅度降低成本,提高竞争力。此外,统一技术,齐心协力,也有助于中国企业在国际核电大单争夺战中占据更有利的位置。
       堆型是按核电站核反应堆的慢化剂、冷却剂、核燃料、结构型式的不同,划分为不同的堆型。不同堆型核电站产业化发展,对工业体系,基础结构的要求,会有很大差别。国家能源局今年年初公布的《能源工作指导意见》提出,要加快融合技术论证,避免多种堆型重复建设。        
       澎湃:之前中国的堆型很多,那么现在中国以AP1000和CAP1400为主线的话,之前中国的堆型、技术很多,现在统一技术路线,会有怎样的优势?
   郑明光:从国家的层面上来说,如果堆型稍微少一些,那么无论是安全审评机构、设计单位、设备制造单位,标准化、规范化、流程的优化,包括管理模式的优化,可能会做得更好一些。这对提高核电的整个安全性、经济性,包括将来的运行管理都会有好处。
  中国目前整个堆型的发展,可能有历史因素,包括国与国之间,特别是大国之间的战略合作所带来的一些格局变化。但从堆型本身来讲,目前发电主要是压水堆和重水堆两种堆型。压水堆里还有很多的共性技术,如俄罗斯的VVER和法国的EPR,也是压水堆技术,EPR目前也属于三代范畴之内,包括AP1000,这些技术的共享、交融,其实对我们国家的核电技术发展会有积极的影响。因为核电技术有很多是相通、又相融的,同时又可以相互借鉴的,某种程度上还可以相互促进、相互提高。
  所以对于我们这样一个大国,如果国内有多种核电技术,而且都是先进的核电技术,对我们下一步发展来说基础将更为扎实,了解更多。
  如果只确定一种堆型,那么你不太可能清晰地了解这种堆型的弊端。多种堆型以后,可以相互比对,谁好谁坏,取长补短,为我们下一步技术的发展有更好的促进作用。所以我们也经常在反思,ERP好在哪?AP1000好在哪?VVER好在哪?包括重水堆有哪些可以借鉴的地方?这样的话对形成国家的战略,国家的核电型号是有帮助的。对制造业来说,过程可能比较烦,各种堆型都有、各种设备都有、各种材料指标都有,但在过程中它也会借鉴哪种材料在哪些方面有优势。所以有难题、麻烦,但是这些难题和麻烦背后,也会给我们带来对技术、装备、材料更深的理解,将来可能对发展思路有帮助。因此,我认为任何事物都是正反两方面的。
  对国外来说,毕竟各自有各自的需求,市场有市场不同的要求。究竟上哪种,我认为都是自己的行为。但非能动的安全技术,应该说从安全性、可靠性,一般来说都会高于能动技术。当然我们也在考虑非能动内如何强化能动的作用。能动作用一般不考虑在地震情况下,它设施都在,能动设备也有,不是说非能动之后,能动设备就没了。能动设备都有,但相对来说抗事故能力稍低。我们也在考虑能动设备的抗事故能力是不是可以适度提升?在合理的经济性的情况下,能够进一步提高安全性。所以提出来两个观点:一个是对放射性的排放,叫安全、合理、可行、尽量低。怎么样做到尽量低?对安全性的标准,怎么样做到合理可行,尽量高?满足中央提出来的最高安全标准、最先进的技术、最严格的排放要求,这三最怎么来落实?                澎湃:中国以AP1000和CAP1400为建造的主线之后,未来在核电建造审核流程上会不会有变化?是否省掉一些环节?因为毕竟是通用型的。
        郑明光:国家能源局致力探索并推广标准设计模式。
        即将出台的《核电厂核岛工程标准设计及技术创新管理暂行办法》,要求新建核电项目原则上应采用标准设计,真正统一我国核电技术路线。
        该《暂行办法》包括以下几点:
        开展标准设计评审,形成第一版“国家版”标准设计,并用于后续首批项目。
        即将成立核电厂标准设计和技术创新委员会,负责持续管理、维护和完善标准设计,推动设计改进和技术创新。
        以建设一批、改进一版为方针,不断完善CAP1000标准设计,进一步提升核电的安全性、可靠性和经济性。        
       澎湃:你预计中国未来的核电发展空间有多大?
  郑明光:我预判的话,中国将来最起码要造300个机组。因为从整个电力结构来说,中国的经济要发展、老百姓生活水平要提高,电力需求到2050年前后总要达到25亿千瓦左右的规模。现在我们基本上每年要上升1个亿,像2013年增加了9000万(全年新增发电装机容量),2013年底的装机容量是12.47亿千瓦,到明年年底的话预计会上升到14.90亿千瓦。目前全世界的电力装机容量不到60亿千瓦,我们国家实际上占了1/5还要多。
  在这种情况下,经济要不断发展、城镇化要发展,中国的电力还是需要不断发展的。目前雾霾已经这么严重,煤炭经济应该进行适当的限制,能源结构的多元化是必然的趋势。现今火电已经达到8.66亿千瓦,水电2.8亿,核电的话,5月4号宁德二号机组投运,已经达到1600多万千瓦。太阳能差不多也是这个规模,风电8300多万千瓦。目前的能源结构肯定是不合理的。将来比较合理的结构可能是,核电5亿、煤电5亿、油电气电5亿、太阳能与生物质能发电5亿、风电5亿,如果能够达到这个结构的话,那么山清水秀,环境等各方面都比较好。因此,主要关键是降低煤发电比例,提高清洁能源的比例,如核电。
  澎湃:那么这样看来未来机组容量还是相当巨大,如果预计300个机组的话,那么平均每年预计会新投入多少?
  郑明光:如果按照目前中国整个装备制造业的能力,10台机组应该没太大问题,10台机组就是1000-1500万,目前国内的装备制造能力,能够年产10个核电机组的设备。上海电气原来计划6-8台,东方(注:东方电气)也是这样,哈电(注:哈电集团)也是这样,你说每个厂都生产6-8台,这不现实。但是每个厂生产3台,我觉得他们还是有足够能力来做的。
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 核电,CAP1400,国家重大专项,三代核电技术,核电重启