而這僅僅是核電領(lǐng)域數(shù)字化設(shè)計(jì)的一部分。
“數(shù)字化改進(jìn)使秦山核電站的技術(shù)水平提升不少，也為其延長20年使用壽命提供了科學(xué)依據(jù)。”上海核工院人因工程帶頭人宋霏說。
自1991年12月底秦山一期核電站并網(wǎng)發(fā)電至今已經(jīng)28年。其間，“創(chuàng)新”成為三代核電建設(shè)關(guān)鍵詞，一批重大自主研發(fā)、帶動(dòng)加工制造的精密設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，裝備制造業(yè)能力跨越式提升。
根據(jù)《中國核能發(fā)展報(bào)告2019》，核電在中國發(fā)電量中的占比將從2018年的4.22%上升到2035年的10%左右;由于具有穩(wěn)定且不波動(dòng)的重要優(yōu)勢，核能發(fā)電仍將在未來30年間彌補(bǔ)能源市場空缺。高質(zhì)量下的核電事業(yè)才剛剛起步。
自主研發(fā)是命脈
此前，我國核電產(chǎn)業(yè)一直受制于人，設(shè)計(jì)自主化、材料國產(chǎn)化，以及關(guān)鍵設(shè)備配套方面都是核電產(chǎn)業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。2008年，“大型先進(jìn)壓水堆核電站”啟動(dòng)，推動(dòng)我國核電產(chǎn)業(yè)鏈從二代跨越到三代。
一批批工程技術(shù)人員、科研人員通過引進(jìn)消化吸收先進(jìn)技術(shù)，通過大量試驗(yàn)、多輪驗(yàn)證，逐步建立先進(jìn)核電自主研發(fā)設(shè)計(jì)體系、試驗(yàn)驗(yàn)證體系、標(biāo)準(zhǔn)體系以及裝備供應(yīng)鏈體系，690U型管、主泵、爆破閥這些以往受制于人的材料和設(shè)備都突破了國外壟斷與技術(shù)壁壘。
“我國三代核電核能產(chǎn)業(yè)鏈基本完成。” 國和一號(hào)總設(shè)計(jì)師、上海核工院院長鄭明光表示，“其中關(guān)鍵設(shè)備材料基本實(shí)現(xiàn)了自主化的設(shè)計(jì)和國產(chǎn)化制造，設(shè)備國產(chǎn)化率已超過85%，每個(gè)主設(shè)備都對應(yīng)了2~5家具備能力的制造商。”
核能核電建設(shè)極為復(fù)雜。作為前端，國家電投旗下的上海核工院不僅要負(fù)責(zé)各類堆型的研發(fā)、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，還要為制造、建造環(huán)節(jié)提供技術(shù)支撐。這其中，反應(yīng)堆的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境相容性是衡量核電水平的關(guān)鍵。
以國家科技重大專項(xiàng)國和一號(hào)(CAP1400)為例，該核電機(jī)組是在引進(jìn)、消化、吸收AP1000世界先進(jìn)三代核電技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合日本福島事故經(jīng)驗(yàn)反饋，再創(chuàng)新形成的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)，“CAP1400的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境相容性達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。”鄭明光說。
首先是安全性。上海核工院總體技術(shù)部主任助理程書劍表示，堆芯損傷、大規(guī)模釋放是核反應(yīng)堆機(jī)組兩項(xiàng)重要安全問題。一方面，上海核工院將國和一號(hào)鋼制安全殼厚度進(jìn)一步加厚、直徑從原來的39.6米擴(kuò)大到43米;另一方面，具有獨(dú)創(chuàng)性的COSINE核電安全設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，先進(jìn)的基于FPGA技術(shù)的NUPAC和NUCON數(shù)字化保護(hù)及控制系統(tǒng)平臺(tái)也是有力基礎(chǔ)。
一系列從內(nèi)至外的創(chuàng)新設(shè)計(jì)下，核電機(jī)組的抗震、防飛機(jī)撞擊能力大幅提升，事故發(fā)生率也降低在10的負(fù)6次冪以內(nèi)。
其次是經(jīng)濟(jì)性。鄭明光說，除了該機(jī)組下的非能動(dòng)技術(shù)可減少占用一定物理空間之外，其高度自動(dòng)化的設(shè)計(jì)理念還能降低一定的人力成本。
同時(shí)，國和一號(hào)(CAP1400)通過將反應(yīng)堆低壓損設(shè)計(jì)，使流量增加21%，效率提升至1500MWe左右。
“每個(gè)大項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)里面都有很多子項(xiàng)的研究內(nèi)容，主要是把可能對設(shè)計(jì)、安全有影響的因素全部摸索或挖掘出來。”參與項(xiàng)目的工作人員說，“比如，有個(gè)非常小的泠凝試驗(yàn)，我們僅跟聯(lián)合單位正式的來往函件就接近70份;綜合性能試驗(yàn)《試驗(yàn)大綱》，從聯(lián)合單位提交的征求意見稿80頁，來回修訂4次，到最終的140頁。”
創(chuàng)新還體現(xiàn)在一些數(shù)字化設(shè)計(jì)的場景中。工作人員說，由于人的操作失誤導(dǎo)致的問題占70%，而核工程設(shè)計(jì)極為復(fù)雜且有上千接口。因而，從設(shè)計(jì)端開始，到驗(yàn)證、制造、建造、運(yùn)維等各環(huán)節(jié)引入數(shù)字化運(yùn)維的理念至關(guān)重要。
以數(shù)字化作為基底、電廠實(shí)景為依托的全息監(jiān)測系統(tǒng)也已在核電廠投入使用。“一旦有安全問題發(fā)生，系統(tǒng)可以立刻通過人的位置計(jì)算出核電廠內(nèi)的最優(yōu)逃生路線。”宋霏說。
截止到6月底，我國在運(yùn)核電機(jī)組達(dá)到47臺(tái)，裝機(jī)容量近4800萬千瓦，排名世界第三。其中，國家電投控股運(yùn)行核電機(jī)組6臺(tái)，裝機(jī)容量698千瓦。
“重大專項(xiàng)大型先進(jìn)壓水堆核電站是國家中長期發(fā)展規(guī)劃里確定的科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展重大項(xiàng)目，它的目標(biāo)是通過這個(gè)項(xiàng)目建設(shè)一個(gè)中長期的核電站，在國民經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展上有重大意義。”被譽(yù)為中國核電之父的歐陽予院士說。
創(chuàng)新賦能制造端
如果說自主、創(chuàng)新的研發(fā)設(shè)計(jì)體系是核電建設(shè)的先行基礎(chǔ);那么，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化制造同樣考驗(yàn)實(shí)力。
第一財(cái)經(jīng)記者在走訪上海電氣臨港基地時(shí)了解到，該基地承擔(dān)了核電站關(guān)鍵主設(shè)備的制造，包括核島的堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、蒸汽發(fā)生器、壓力容器、穩(wěn)壓器、核主泵及常規(guī)島的汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等，僅上海第一機(jī)床廠有限公司就承擔(dān)了全國95%以上堆內(nèi)構(gòu)件及控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造。
“核電領(lǐng)域內(nèi)對產(chǎn)品的制造要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他產(chǎn)業(yè)。”上海電氣核電設(shè)備有限公司制造部單杰告訴第一財(cái)經(jīng)記者，“核電設(shè)備要求要具備足夠的安全性和穩(wěn)定性，所有設(shè)備均需通過嚴(yán)格的檢測及試驗(yàn)才能交付。”
在這個(gè)精工車間長約20米、寬約8米的機(jī)床上，一臺(tái)蒸汽發(fā)生器正在進(jìn)行管板打孔。單杰介紹，管板上打孔數(shù)量為1.2萬余個(gè)，每打一個(gè)孔的時(shí)間在10分鐘左右。
而一旁被稱為世界最大的CAP1400蒸汽發(fā)生器，需在管板上打孔2.5萬個(gè)，重量超過800噸。設(shè)備制造完成后會(huì)通過專用駁車裝運(yùn)至附近碼頭，并通過船運(yùn)交付至國內(nèi)各個(gè)業(yè)主方。
除了大型設(shè)備，一些中小型部件的制造也深有講究。記者在承擔(dān)堆內(nèi)構(gòu)件生產(chǎn)的上海第一機(jī)床廠有限公司車間內(nèi)注意到，某堆芯圍筒組件的環(huán)板并未采用以往的人工焊接形式，而是改用了激光焊接技術(shù)。
“這一激光焊接技術(shù)由我們首創(chuàng)研發(fā)。”該車間工作人員說，“這樣的焊接方法能將8塊W形板、C形板一次焊透成型，且可將變形量控制在最小程度，并將焊縫控制在16mm的精準(zhǔn)熔深。”
隨著水聲望向另一端，是均流板在進(jìn)行加工，其在堆內(nèi)的作用是均勻分布冷卻劑。“這是加工耗時(shí)最長的部件了，以員工三班倒來計(jì)，也要12個(gè)月左右完成。”該工作人員說。
臨港基地是我國核電自主建造實(shí)力的一個(gè)縮影。從圖紙到部件，我國全面掌握了屏蔽電機(jī)主泵等29項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)，成功研制出超大型鍛件等40余項(xiàng)關(guān)鍵材料，也帶動(dòng)了一批為核電配套的裝備和零部件生產(chǎn)企業(yè)。
上海電氣核電集團(tuán)黨委書記何延慶表示，“未來3～5年，我們要完全具備三代核電主設(shè)備成套供貨的能力，并突破核電廠運(yùn)維(運(yùn)營與維護(hù))服務(wù)國內(nèi)外市場，積極拓展新產(chǎn)業(yè)與新業(yè)務(wù)。”
