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参数理解不同带来的中国核电彻底创新

澎湃记者 李跃群 杨漾 王心馨 贺梨萍

2014-06-09 17:22 来自 能见度
 2007年,郑明光被国家核电任命为大型先进压水堆重大专项工程的总设计师。

       一个核心参数认知上的不同,反而促成了中国核电更为彻底的自主创新。这一戏剧性的结果,一定出乎美国西屋公司的意料。
       随着具有自主知识产权的压水堆重大专项CAP1400日益成熟,当年中美之间关于自主知识产权的交涉细节也开始浮出水面。​
       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》总设计师郑明光在接受能见度专访时表示,美方划定的135万千瓦的自主知识产权功率红线,不仅突破难度大,而其背后更有中美参数理解不同带来的问题。
       2007年,郑明光被国家核电任命为大型先进压水堆重大专项工程的总设计师。当时,中国确定的CAP1400的型号,是指毛功率达到140万千瓦。对CAP1400的基本要求包括: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、系统的可靠性设计是极大的考验。​
       AP1000是指由西屋公司开发的先进非能动压水堆(AdvancedPassive PWR)技术,该项目同时也是中美能源合作的最大项目。AP1000为单堆布置两环路机组,电功率为125万千瓦,设计寿命60年,主要安全系统采用非能动设计,布置在安全壳内,安全壳为双层结构。​
       彼时,中国的装备制造业尚难以满足CAP1400的要求。所以2007年12月,国家能源局在北京对这个实施方案进行审查的时候提出了诸多边界条件。​
       首先,CAP1400里面的主泵基本不能动,只能用AP1000的。其二,蒸汽发生器也不能大动。再者,安全壳的直径也不能发生变化。​
       郑明光称,这些边界条件设了以后,是很大的空间限制。被迫之下,国家核电技术公司当时的方案只能通过降低扬程、增加流量来实现功率的增加。若再增大功率,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有限,39.6米的安全壳直径,几乎无法放下更大的蒸汽发生器。而反应堆堆本体已经增加了近40公分的直径,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。​
       在此情况下,当时上海核工院提出的解决方案是把原来CAP1400第一方案的373万千瓦的反应堆热功率升提升9万千瓦至382万,以满足在内陆也能有140万左右的毛功率。​
       但这一方案,却遭遇了来自西屋公司的反对。​
       郑明光回忆,2009年11月,他到美国进行会谈的时候,西屋公司、东芝公司提出,合同中的135万千瓦,指的是“净功率”,不是“毛功率”,而当时上海核工院给出的CAP1400的方案在净功率上还差6-8万千瓦,美方称,这种情况下,知识产权还不属于中方。​
       中方则反对称,合同规定的135万千瓦,应指毛功率。“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。”郑明光说,“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王炳华的同意,我们就对整个方案进行了比较大范围的调整。”​
       当时调整的依据是,中国的工程技术是在不断进步,尤其是三门项目,当时的钢安全壳开始加工,上海核工院就跟相关部门,包括国核设备、上海电气等进行了沟通,并做了试验,验证了钢安全壳的厚度可以增加,现场的热处理在工程的可行性也得以验证。在这样的情况下,上海核工院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。​
       “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。”郑明光表示,“即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。”​
       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非常好的体现。“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,从原本的想利用现有AP1000的现有设备,扩大堆芯,扬程降低5%,从而增加流量,改为扬程基本保持不变,流量增加到17%,这是第一个门槛。”郑明光称。​
       随即,上海核工院通过上海电气KSB公司的协调和研究认为流量还可以再增加,最后“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,流量,二回路的整个蒸汽压力,特别是整个机组的效率也得到了比较好的提高。从而突破135万千瓦净功率。”郑光明表示,这实际上是一个根本性的创新,因为仅仅依靠改变AP1000的基础,比如说降低安全裕量、挖潜力的方法等等不能达到。​
       换句话说,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,也是完全的重新设计,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。​
       这些实验对中国的核电产业有三大意义。第一是支撑设计,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。郑明光称,“通过这些实验与研究,中国把整个非能动技术,以及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充分的加强。这反过来也支撑了设计,这对于下一步的非能动型号系列化的发展会起到非常重要的作用。”​
       这一改变,让美国西屋公司大吃一惊。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。西屋公司对中国CAP1400项目也逐渐产生了浓厚的兴趣。副总裁、中国区总经理高礼霆(Timothy Collier)对能见度表示,西屋公司正在与国家核电技术公司进行一系列的谈判,希望能够参与其中。后期西屋也参与部分设计文件的评估。
       回过头来看,西屋公司在“毛功率”与“净功率”上的要求,恰恰是中国大型先进压水堆创新过程中的动力,在一层层越过障碍的同时,中国的核心创新技术破土而出。这也许也是世界核电历史上中国用自主的技术给美国人出的一道新难题。
       
澎湃新闻报料:4009-20-4009
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关键词 >> 能源,核电,CAP1400,国家重大专项,自主创新录入编辑:李跃群
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