“華龍一號”（HPR1000）：中國新名片

邢 繼,李 崇,吳宇翔,胡宗文,劉倩雯,宿吉強,高 力,張雪霜

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

“華龍一號”(HPR1000)是由中國核工業集團和中國廣核集團共同開發,具有完整自主知識產權的百萬千瓦級壓水堆核電技術,其設計采用先進的安全設計理念與技術,具有創新性的設計特征,滿足最新的安全要求和國際上第三代核電的用戶要求。

我國自主百萬千瓦級核電技術研發,從CNP1000型號研發起步,歷經CNP1000、CP1000、ACP1000再到 “華龍一號”,不斷提升安全與技術性能指標,至完成 “華龍一號”型號研發,經歷了近20年的歷程。2011年日本福島核事故后,新建核電廠的核安全標準更加嚴格,第三代核電廠成為當今世界核電發展的主流技術。當時國內三代核電技術型號研發尚處于技術跟蹤階段,并未開展實質性的研究。而國際上已有EPR、AP1000、VVER等三代核電型號技術,且AP1000首堆已在國內開展工程建設。由于AP1000為美國西屋公司技術,國內引進消化吸收,知識產權為美方所有,對核電的出口造成一定的限制,并影響我國核電的國際話語權。同時,在國內經濟發展新常態的背景下,急需創新發展改變發展模式和高效清潔綠色能源,淘汰落后產能,實現產業發展的升級換代,帶動經濟發展。因此,開展核電技術的自主創新,實現具有完全自主知識產權的核電型號的開發,對于促進我國從核電大國向核電強國轉變,支撐核電走出去極為必要。

核電型號涉及的系統多、專業廣、研發難度大。同時,規避國外核電技術的知識產權糾紛,并在建設的窗口期內完成型號研發也是重要的挑戰。針對核電型號研發的特點,中核集團建立了“兩總制”科研項目管理組織模式及技術分層決策體系,并通過 “小核心、大協作”協作模式,發揮知名科研院所和企業優勢,解決開展型號研發所需的人才、技術及研發設施等科技資源短缺問題。同時,利用 “互聯網＋異地三維設計一體化”的研發設計協作模式,依托示范工程,將研發設計有機結合,極大地提高了項目研發設計效率。在“華龍一號”的研發過程中,以中核集團中國核電工程有限公司、核動力院為主,聯合國外包括法、美、意、奧等14家國際組織及機構,國內75家高校、科研機構、設備制造廠共同參與,協作完成了共計179項研發工作。通過廣泛利用社會研發資源,極大地加快了 “華龍一號”的研發進程。

福清核電站5號機組于2015年5月7日正式澆筑第一罐混凝土 (FCD),標志著具有中國完整自主知識產權的核電技術 “華龍一號”首堆示范工程正式開工 (見圖1)。2015年12月22日,福清核電站6號機組也正式開工建設。2017年5月25日,福清核電站5號機組完成了穹頂吊裝 (見圖2),標志著 “華龍一號”示范工程建設由土建階段全面轉向安裝階段。福清核電站5號機組開工建設后,國務院總理李克強在視察指導工作時強調:“我們的高鐵在世界上已有口碑,接下來要推出更高水平的核電,要在國際市場上占據應有的位置。”作為 “中國制造”的代表,“華龍一號”具備獨立出口條件,已經在國際市場上展現了相當的競爭實力。

圖1 福清核電站5號機組核島FCDFig.1 NI FCD of Fuqing 5

1 自主核電技術的新名片

圖2 福清核電站5號機組穹頂吊裝Fig.2 Dome lifting of Fuqing 5

核電從第一代的原型堆、試驗堆,第二代的商用堆發展到如今的第三代技術,在燃料技術、熱效率、安全設計與分析評價方法、運營管理等各方面都有了全方位的進步。針對先進輕水堆核電技術,國際組織、各國核安全監管機構和研究機構發布了設計要求以及用戶要求文件[1-2],尤其在后福島時代,對新建核電的設計提出了更嚴格的要求[3-4]。基于這樣的背景,“華龍一號”充分利用我國三十多年來核電設計、建造、調試和運行的豐富經驗,引入國際上先進的設計分析方法,并吸取福島核事故的經驗反饋,形成了具有創新性和先進性的安全設計理念。

“華龍一號”采用 “177堆芯”設計,應用自主研發CF3先進燃料組件,在提升反應堆功率的同時,有效降低了堆芯線功率密度,使其不僅能夠發出更多電力,也具有了更高的安全裕量,并可將換料周期延長至18個月,降低了機組的運行成本,提高了運行經濟性。

“縱深防御”是核電設計遵循的基本原則,就是在各種假設事故發生的情況下,應使核電廠具有多層次的抵御事故能力,并確保其有效。為此應考慮防御手段的冗余、獨立和多樣性。而“華龍一號”的設計方案正是立足于縱深防御的原則,采用確定論與概率論相結合的安全分析方法,以 “風險指引”確定安全設計方案,在不同防御層次上滿足冗余性、獨立性以及多樣性的設計要求,并更好地平衡了經濟性。特別是通過充分借鑒福島核事故的經驗反饋,完善了核電廠預防和緩解嚴重事故的措施,在 “超設計基準”工況 (新安全要求中的 “設計擴展工況”)下,為確保反應性的控制、堆芯余熱的排出和放射性的包容等三大安全功能,在核燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼等核電廠的三道安全屏障上,創新性地應用能動加非能動的安全措施,以多樣化手段有效提高了安全性,“華龍一號”能夠滿足堆芯損壞頻率 (CDF)小于10－6/堆·年的安全目標。

為了實現 “實際消除大規模放射性釋放”的目標,“華龍一號”設計方案通過合理布置、設置屏蔽、實體隔離以及強化結構與設備等措施來防止核電站遭受內部事件 (如內部火災、飛射物、內部水淹等)、外部自然事件 (如滿足地震水平與豎向峰值加速度0.3g,加強抵御外部水淹能力等)以及外部人為事件 (如商用大飛機的惡意撞擊)所帶來的影響,將大量放射性釋放頻率 (LRF)控制在小于10－7/堆·年。通過非能動系統水箱貯存水量和專用電池容量的設計,保證非能動系統能夠持續運行72 h,結合移動泵和移動柴油發電機等常備應急設施,使得事故后核電站在72 h內無需廠外支援。

“華龍一號”通過自主創新,各項性能指標達到國際先進水平,能夠滿足國家最新的安全要求。 “華龍一號”已通過了國家核安全局審評,以及國際原子能機構和多家外國權威機構的安全評估,可以說,“華龍一號”是我國自主創新先進核電技術的一張名片。

2 “一帶一路”的新名片

為落實國家 “一帶一路”倡議,核電 “走出去”現已升級為國家戰略。“華龍一號”具有完整的自主知識產權,除了良好的安全和性能設計之外,經濟性的優勢也使其在國際市場上展現出很強的競爭實力。

為了使 “華龍一號”具備獨立出口條件,滿足國家出口戰略的需求,在開展技術研發工作的同時,中核集團也構建了完善的知識產權布局和專利申請計劃,有效保護了 “華龍一號”的創新成果,在設計技術、關鍵設備設計、專用軟件、燃料設計與制造、運行維護等方面,建立了完善的知識產權保護體系。同時,中核集團對知識產權侵權風險做了詳盡的分析,分析結果表明,“華龍一號”在國內和目標出口國均不存在知識產權侵權風險。

“華龍一號”為了提升經濟性方面的競爭力,在提升電功率、采用先進技術、加強運營管理等方面投入巨大,其經濟性特點可以總結為以下幾方面:

1)堆芯采用177燃料組件,在提高熱工裕量的同時,提升了額定電功率;

2)通過對汽輪機選型、蒸汽發生器的蒸汽質量以及傳熱面積等方面的改進,提高機組的熱效率;

3)延長換料周期至18個月,減少非計劃停堆次數,使得電廠的可利用率不小于90%;

4)反應堆壓力容器、雙層安全殼、一回路主要承壓設備等重要部件設計壽命延長為60年,同時考慮完善的電廠老化管理措施,通過必要的維修和更換使電站設計壽期達到60年;

5)采用一體化堆頂結構、破前泄漏 (LBB)技術減少了在役檢查、維護和維修的費用和工作量;

6)通過優化大型設備的吊裝路徑、預制管道與支撐件以及模塊化技術的應用,來縮短建造周期等。

“華龍一號”海外首堆工程——巴基斯坦卡拉奇核電廠K2機組,于2015年8月20日FCD,2017年10月13日實現穹頂吊裝,創新性地運用主設備預引入法,工期顯著縮短。2015年11月15日,在二十國集團領導人 (G20)第十次峰會期間,中核集團與阿根廷核電公司正式簽署框架協議,確定在阿根廷第五個核電機組采用 “華龍一號”核電技術,標志著 “華龍一號”成功出口拉丁美洲。除此之外,還有很多潛在用戶對 “華龍一號”展現了濃厚的興趣。

隨著國內外示范工程以及其他項目的順利推進,“華龍一號”成為 “中國制造”走向國際的靚麗名片。

3 創新發展的新名片

“十三五”規劃中,明確了實施創新驅動發展戰略和優化現代產業體系的要求。強調深入實施 《中國制造2025》,以提高制造業創新能力和基礎能力為重點,推進信息技術與制造技術深度融合,推進供給側結構性改革。“華龍一號”正是踐行了這樣的發展路線,成為可以為 “自主創新”、“智能制造”、“產業轉型與升級”代言的新名片,李克強總理在 “華龍一號”首堆示范工程穹頂吊裝之際,對工程建設所做出的重要批示中稱之為 “《中國制造2025》的標志性工程”。

黨的十八大提出了實施創新驅動發展的戰略,強調了創新在國家發展全局的核心位置。“華龍一號”自主成功研發體現了創新發展的特點,從基礎性應用技術研究,反應堆、先進核燃料、安全系統設計,到重要核電裝備的研制,均產生了大量創新成果。“華龍一號”投入大量資源用于基礎技術的研發,以技術升級和科技創新為手段,來滿足三代核電技術的要求。例如,自主研發具有完全自主知識產權的CF3燃料組件,在結構、材料、力學分析等方面都開展了相應的技術研發工作,通過優化格架、管座、導向管等關鍵部件的結構設計,加強燃料組件的性能和可靠性,從而滿足了先進燃料組件性能要求。能動與非能動的安全設計理念是 “華龍一號”最具代表性的創新,將高效可靠的能動技術與無需電源支持就可以保證安全的非能動技術聯合使用,優勢互補,實現安全性大幅提升。“華龍一號”創新成果產生的自主知識產權覆蓋了設計、燃料、設備、建造、運行、維護等領域,并已自主開發了核電專用軟件,形成了完整的知識產權體系。迄今,“華龍一號”共申請海內外專利629件,其中在英國、馬來西亞、阿根廷等海外國家申請專利65件,申請海內外商標200余件。正是通過不斷自主創新,并在知識產權管理上采取各種創新措施,“華龍一號”知識產權工作取得了令人滿意的成績,形成了我國自主的三代核電技術,為我國核電走出國門、走向世界提供有力的支撐和保障。

《中國制造2025》中,將 “推進信息化與工業化融合”作為未來十年中國制造業發展的戰略重點。核電廠的設計和建造是一項龐大而復雜的系統性工程,需要科學高效的工程管理手段來有序地推進項目進程,為此 “華龍一號”的研發建立了產學研用和國內外協同創新研發模式,搭建協同創新平臺。在 “華龍一號”的研發設計過程中,除中國核電工程有限公司公司、核動力研究設計院、核動力運行研究所、華東電力設計院等主要研發單位,還包括法、美、意、奧等14家國際組織及機構,國內清華大學、哈爾濱工程大學、西安交通大學、一重、哈電集團、東方電氣、西安核設備廠、中核東方、大連寶原、中冶建研總院等75家高校、科研機構、設備制造廠共同參與,協作完成了共計179項研發工作。“華龍一號”的研發涉及70多個專業、上千名設計人員,傳統的設計方式可能由于溝通、配合的不暢影響研發的進度。因此,“華龍一號”引入“互聯網＋”概念,充分整合和調動跨專業、跨地域、跨行業的資源,打造了可以實現多端聯動的數字化核電廠協同設計平臺。平臺調動了不同地區、不同專業的研發設計資源,在三維可視化設計平臺上實現異地協同并行設計,提高資源利用效率。通過建立全面的數據庫管理系統以及規范化的智能工藝流程設計系統,平臺用戶可以進行上下游提資,數據的變化實時地呈現于三維系統,加強了不同參與方間的溝通效率,并通過設計仿真驗證平臺實現對相關設計的模擬驗證,保證設計的可靠性。“華龍一號”的研發設計將核電工程設計水平提升到新的高度。國務院總理李克強到中國核電工程有限公司視察工作時,對于該平臺給予了高度的贊揚。以 “華龍一號”研發設計管理創新為基礎的 “核電企業構建支撐國家核電走出去創新研發體系”獲得國家管理創新一等獎。

在經濟發展進入新常態的背景之下,“華龍一號”對于設備制造領域的產業升級、科技成果轉化、釋放庫存等方面具有拉動作用,對于助推能源產業的供給側結構性改革具有重要意義。“華龍一號”的反應堆壓力容器、蒸汽發生器、堆內構件等核心裝備都已實現了國產化,首堆國產化率已達到了85%,制造的質量、可靠性、可維修性均有所保證。“華龍一號”設備供貨廠家分布全國各地,涉及5 300多家廠商,共計6萬多臺套設備。先進核電技術對裝備制造提出更高要求,隨著 “華龍一號”裝備的成功研制,有力地推動了我國裝備制造企業的技術提升,積極推動 “大眾創業、萬眾創新”的進程,同時,為“華龍一號”的批量化建設和中國裝備 “走出去”奠定了堅實的基礎。因此,“華龍一號”無愧為創新發展的新名片。

4 促進軍民融合的新名片

2015年6月15 日,李克強總理到中核集團中國核電工程有限公司視察,他囑咐 “華龍一號”研發團隊,你們在鑄 “國之重器”。在當今世界,戰略核威懾是國家安全的基石,沒有可靠的戰略核威懾,國家安全就會失去根基,也無法保衛和平發展的環境與成果。而核工業是對國家戰略核威懾力量的支撐,和平時期,保持強大的核工業,包括研發與制造能力是不可或缺的。在這個方面,國際上走的都是軍民融合的道路。軍用、民用技術的深度融合,使得科技與經濟的發展尤為迅速,市場需求拓寬后對制造業實現不斷升級與持續發展提供了強勁的動力。十八大以來,習近平總書記著眼于實現強軍夢、中國夢,著重強調了新時期軍民深度融合的時代命題,并將其上升為國家戰略。習總書記指出:“當前和今后一個時期是軍民融合的戰略機遇期,也是軍民融合由初步融合向深度融合過渡、進而實現跨越發展的關鍵期。”此外,習總書記還指出:“進一步做好軍民融合式發展這篇大文章,堅持需求牽引、國家主導,努力形成基礎設施和重要領域軍民深度融合的發展格局。”這正是對中國核工業發展提出的戰略目標,也是將來國家工業發展的根本方向。

核工業是典型的軍民融合產業:核燃料的開采生產以及乏燃料后處理和放射性廢物處理處置等環節,都是軍民通用的;“華龍一號”中的非能動系統、大量關鍵設備的制造、先進的儀表控制系統等相關技術,也是得益于軍用科研成果的轉化;長期以來,相關的設計、制造人才也是軍民雙線共同工作,互促互進。堅持軍民融合深度發展路線,使得中國核電技術得以穩步快速的發展,進而推動整個核工業產業向發達國家看齊,實現由核工業大國轉為核工業強國的目標。

習近平總書記強調 “把軍民融合發展上升為國家戰略,開創強軍新局面,加快形成全要素、多領域、高效益的軍民融合深度發展格局”。“華龍一號”作為核工業領域軍民融合的代表,在國防科技工業軍民融合發展成果展中,獲得了國防科技工業軍民融合發展技術創新獎,是落實國家戰略,促進軍民融合的一張名片。

5 結束語

在中國核工業的發展歷程中, “華龍一號”的成功研發具有重大的歷史意義,它從不同的方面展現出其重要的作用。“華龍一號”采用最新的安全標準,形成了自主創新的先進核電技術,是代表自主核電技術的新名片;“華龍一號”具有完整自主知識產權,具備獨立出口條件,符合清潔能源市場發展需要,具有強有力的國際競爭力,是落實國家 “一帶一路”倡議的新名片;在經濟發展新常態下,“華龍一號”堅持以創新驅動發展,加強基礎技術研發和 “互聯網＋”等應用,成為推進 “中國制造2025”的標志性工程,有力地拉動制造產業升級,是創新發展的新名片;“華龍一號”推動了核工業的軍民融合發展,是促進軍民融合的新名片。

[1]Electric Power Research Institute．Advanced light water reactor utility requirement docu ment[S]．Palo Alto,CA:EPRI,1990．

[2]EUR organization．Eur opean utility requirements for L WR nuclear power plants[S]．2001．

[3]Inter national Ato mic Energy Agency．Safety of nuclear power plants:design．IAEA Safety Standards Series No:SSR-2.1(Rev.1)[R]．Vienna:IAEA．2016．

[4]國家核安全局．福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求 (試行)[S]．2012．