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大型先进压水堆及高温气冷堆核电站专项

十二五期间,在国务院的直接领导和三部门的大力支持下,依托重大专项,我国核电技术加快实现自主创新,取得了阶段性成果和重要突破。突出表现在5个方面:

一是自主设计能力有质的飞跃。以AP1000技术引进消化吸收为基础,完成了国产化AP1000标准设计,研发出具有自主知识产权的CAP1400压水堆和球床模块式高温气冷堆技术。

二是高端装备制造能力得到显著提升。压力容器、主泵、主氦风机等示范工程首台套设备研制进展顺利。核电设备用690U型管、核级锆材等实现国产化,打破了国外垄断。国内装备制造企业具备年产6-8台(套)百万千瓦级核电机组全套装备供货能力,有力支撑我国核电批量化建设和国际市场开拓。

三是试验验证体系基本建立,基础支撑条件明显改善。建立了以CAP1400六大试验台架为代表的基础试验设施及配套验证体系,建成了以大型氦气试验回路为代表的工程试验平台,有力支持了我国核电科研、工程及后续项目发展的需要。

四是示范工程建设稳步推进,成果令全球瞩目。全球首座高温气冷堆商业示范电站土建施工基本结束,主设备陆续到场安装,配套燃料元件生产线建成投产;CAP1400示范工程设计、设备采购、现场施工准备全面推进,核准前审查基本完成,具备近期开工条件。

五是在科技领军人才培育和人才队伍建设方面取得重要成绩。数万人参与研发,打造了一支技术水平高、工程经验丰富、专业配备合理的研发团队,培育了核电领军人才,构建了先进的核电标准体系,形成了一批高水平的知识产权成果。

高温堆分项重点展项

重点展项一、高温气冷堆示范工程主控盘

本展品引入高温堆示范工程已应用的“双堆带一机”模拟软件,用于展示模块式高温气冷堆的固有安全性与运行特性。展品采用21块(3×7阵列)55寸窄边液晶显示器拼接而成,前面布置操作台,可展示反应堆的功率调节、停堆等运行工况,并在主控盘上显示主要参数变化。其中,无需任何干预的自动停堆过程,可充分展示模块式高温气冷堆不依赖外部冷却而保持堆芯完整的固有安全性。

展品尺寸:8500mm×2520mm×400mm

净重:1000kg

图1高温气冷堆示范工程主控盘

重点展项二、高温气冷堆关键技术突破

以实物展示高温堆在“十二五”期间取得的两项重大技术突破:“心脏”装备主氦风机以及高温堆特有的球形燃料元件。

主氦风机实物(小比例)

高温气冷堆主氦风机是高温气冷堆的“心脏”装备,相当于压水堆的主泵。整个电机转子由电磁轴承支撑,实现非接触无摩损运行,不需要润滑油系统。就像磁悬浮高铁一样,采用电磁轴承的主氦风机利用了现代最新科技成果。高温气冷堆主氦风机无论功率还是技术水平都属于世界领先,是我国自主创新在先进核能核心装备技术上的重大突破。

该成果入选2014年度“中国高等学校十大科技进展”。

展品为缩比实物,风机底座开观察窗,可观察电磁轴承支撑下的风机叶轮高速旋转。

展品尺寸:3000mm×1500mm×2000mm

净重:3500kg

图2成功研制的高温气冷堆“心脏”装备主氦风机

重点展项三、高温气冷堆球形燃料元件

球形燃料元件是高温气冷堆的第一道安全屏障。该燃料元件由大约12000个包覆燃料颗粒弥散在石墨粉中压制成直径6厘米的球,包覆燃料颗粒直径约1mm,由二氧化铀核芯和热解炭及碳化硅构成的,要求在反应堆运行工况和事故工况下包覆燃料颗粒的失效率低于万分之五。这种层层包覆的“TRISO”技术是世界高温气冷堆球形燃料燃料元件研制领域的主要技术难关,是核心技术中的核心。燃料元件样品已经在荷兰高通量堆完成堆内辐照考验。该辐照试验结果验证了由我国自主设计开发完成的高温气冷堆球形燃料元件生产技术,表明中国高温堆燃料元件居于世界最好水平。

该成果入选“2013—2015年度中国十大核科技进展”。

展品尺寸:SΦ60mm

图3成功研制并实现产业化的高温堆球形包覆燃料元件

核电专项压水堆分项重点展项

重点展项一、CAP1400设计技术

CAP1400是在AP1000三代核电技术引进、消化和吸收基础上,通过重大专项自主创新研发所形成的具有自主知识产权和独立出口权的大型先进非能动压水堆核电技术,是国家品牌。

CAP1400采用非能动安全理念,提供多层次、全方位的事故预防缓解措施和保护屏障,具有极高的安全性,满足三代核电技术要求,实现当前最高安全目标。同时,CAP1400采用标准设计和国产化设备,具有单机容量大、机组可用率高等特点,具备良好的经济性。

目前CAP1400研发、设计、试验、设备制造、试验验证、安全审评等均已基本完成,示范工程现场准备也已就绪,有望2016年实现FCD。此外,CAP1400在南非、巴西、土耳其等国际市场开发中也取得了重要进展。

图1CAP1400示范工程效果图

重点展项二、核电设备自主化

开展关键核电设备及材料研制,提高我国装备制造业水平,促进装备制造行业转型升级是实施大型先进压水堆核电站重大专项的一项重要任务。专项实施以来,围绕AP1000型号的国产化和CAP1400型号的自主研发,充分发挥市场机制的作用,组织国内装备制造企业开展关键设备国产化和自主化攻关。这些设备主要包括:主泵、爆破阀、反应堆压力容器、蒸汽发生器、控制棒驱动机构、堆内构件、钢制安全壳、大型半速汽轮发电机组、数字化仪控系统等。成功突破了设备设计、设备制造和验证等方面的关键技术,CAP1400示范工程设备国产化率将达到85%。通过重大专项研发,国内制造企业能够正确运用ASME标准,全面掌握核岛主设备的制造工艺和质量管控手段,具备年产6-8台(套)核电站主设备的能力,形成面向全球、中外共享的三代核电装备供应链体系,为三代核电在国内外市场的批量建设奠定了基础。

图2CAP1400主泵屏蔽电机定子绕组

图3CAP1400爆破阀

图4AP1000蒸汽发生器

图5CAP1400数字化仪控系统样机-NuPAC样机照片

图6CAP1400数字化仪控系统样机-NuCON样机照片

图7CAP1400汽轮机长叶片

重点展项三、核电材料自主化

压水堆专项“十二五”期间围绕AP/CAP系列核电机组关键材料进行了攻关,成功研制了反应堆压力容器、蒸汽发生器、常规岛汽轮机低压转子、发电机转子用超大型锻件;国产新锆合金完成工业规模级试制,小组件材料即将入堆考验;核电蒸汽发生器用690合金U形传热管;核岛主设备及现场安装所使用的全部低合金钢、不锈钢和镍基合金焊接材料;核电站凝汽器用钛焊管和钛钢复合板以及三代非能动核电站严酷环境1E级低压电力、控制和仪表电缆等材料。上述材料的国产化,促进了我国核电装备制造业整体水平的提升,使我国摆脱了核电关键材料长依赖进口的局面,进一步降低了我国核电站的造价,提高了我国核电在国际市场上的竞争力。

图8大锻件-锥形筒体

图9大锻件-发电机转子

图10大锻件-低压转子

图11690合金U形管

重点展项三、核电软件自主化

核电设计及安全分析软件是核电厂设计与分析的重要工具,其自主化程度代表着核电设计能力,同时也是我国核电出口的必备条件。核电厂安全分析与工程设计一体化软件包(简称“COSINE软件包”,下同)的开发实现了我国核电软件的自主化。COSINE软件包包含了核数据研制、热工水力设计、确定论事故分析、概率安全分析、堆芯物理设计、严重事故分析、燃料设计、辐射屏蔽设计等8大类程序,满足核电厂不同尺度的计算需求,覆盖压水堆核电厂安全分析核心软件。COSINE软件包适用于AP/CAP堆型、传统二代压水堆和其他先进三代堆等大部分现有堆型。按照严格的核电软件开发标准,经过需求分析、架构设计、代码开发、测试与验证等阶段,目前COSINE软件包已发布公开测试版。

图12COSINE软件界面

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