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全球首台AP1000机组带核运行

发布时间:2018-05-30 12:31:11   来源:    浏览次数:306

原标题:《全球首台AP1000机组带核运行——我国第三代核电厂系列报道之三》

◎特约记者 季天也

【4月29日,我国首台搭载第三代核电技术AP1000的浙江三门核电厂1号机组,完成了157组全新燃料组件的装载。这标志着历经9年,我国三代核电自主化依托项目AP1000获得各方认可,全球首台AP1000核电机组终于进入带核调试运行阶段。同样搭载AP1000机组的山东海阳核电厂一期工程(1号、2号机组)也完成了装料前的准备工作。AP1000机组作为第三代核电技术,其先进之处体现在哪些地方?其安全性对比以前的核电技术有哪些质的提升?前不久《环境与生活》杂志记者采访了三门核电厂和海阳核电厂,对这项技术做了一番了解。】

 三门核电厂鸟瞰效果图

四“桶”水确保反应堆冷却

《环境与生活》杂志记者年初曾到访浙江三门核电厂和山东海阳核电厂,这两座核电厂各自规划建设6台百万千瓦级核电机组,其中一期工程各有两台机组(即1号、2号机组)采用美国西屋公司研发的第三代核电技术AP1000。它们是中国自主核电技术AP1000三代核电技术引进消化吸收的标志性项目,承担中国核电自主化的重任。两座核电站在上世纪80年代我国民用核电发展的起步阶段,就被确定为优选厂址。

第三代核电技术AP1000的发电原理、基本格局,与目前成熟的第二代压水堆核电厂其实是一个套路,即利用核燃料的能量“烧水发电”:核电厂有两套独立的冷却水循环回路,核燃料在反应堆内触发核裂变链式反应,产生大量热能,把一回路的水“烧”到高温高压状态,在主泵的驱动下进入蒸汽发生器中的U型管,通过管壁传热,把二回路的冷水加热成蒸汽。这样一回路水就变凉了,被主泵送回反应堆再次加热,开始下一次循环;二回路的蒸汽则推动汽轮机与发电机旋转,产生电能。一回路设备和部件所在的厂房叫核岛,二回路所在厂房叫常规岛。

 AP1000机组构造示意模型

  • 左侧圆柱体建筑为反应堆所在厂房,称为核岛;右侧长方体建筑为蒸汽轮机和发电机所在厂房,称为常规岛。  季天也/摄

既然发电套路都差不多,作为新一代核电技术的AP1000究竟好在哪儿呢?第三代核电技术相比第二代的重要革新,就是预防和缓解严重事故的能力大大加强。核燃料特殊之处在于反应堆即使停止运行,它也不能像其他燃料一样熄火后就渐渐冷却。核燃料中放射性物质的衰变,足以让反应堆在很长一段时间内“不忘初心”地持续发挥余热,叫做“衰变热”。假如发生全厂断电情况,燃料棒和冷却水就无法循环换热,此时的反应堆压力容器就好比一口装着水持续加热又不开阀泄气的高压锅。

为避免堆芯因不断升温而熔毁,继而引发核事故,AP1000机组设计了4套应急水源装置来确保反应堆的冷却,分别是两个容积均为70.8立方米的堆芯补水箱,用于较长时间内向堆芯注入较大的水流量;两个容积均为56.6立方米的安全注射箱,用于在几分钟内为堆芯快速、大量注水;一个容积为2092立方米的内置换料水箱,用于细水长流地冷却堆芯;两个位于核岛厂房顶部的安全壳冷却水箱,总容积近2900吨,用来喷淋下方的钢制安全壳(类似锅盖),从而为壳内降温减压。

 AP1000反应堆的主要设备模型,中间为反应堆压力容器模型。  季天也/摄

事故应急3天不用人

记者在参观时了解到,除安全壳冷却水箱外,其他3套水源均含有不同浓度的硼元素,可吸收中子降低核反应速度。这4处冷却水源的位置都比它们要冷却的部位高,而且整套安全系统不靠电力或其他外界能源驱动,完全利用重力和压力差等天然物理规律实现自动补水,在事故后的72小时内,不需要任何人为干预就能确保反应堆和整座核电厂的安全,所以叫“非能动安全系统”,这一点至关重要。

 三门核电厂的门上贴有防护提示

西屋公司对AP1000的设计理念主张“做减法”。虽然现役的第二代或第二代改进型机组也可以实现同样的安全功能,但只能走“加法”路线:一套安全系统不够就再加第二套,还不够再加第三套。当然,加上去的仍然是能动的安全系统,需要有电或者其他能源维持它的功能。

在参观两座核电厂的过程中,记者了解到,AP1000的阀门、泵、管道和电缆这4类构件的总量,比第二代或第二代改进型机组分别减少了50%、36%、83%和70%,可以有效减少设备的损坏率和故障率,对于缩短核电厂建设周期、减少维修项目和确保长期可靠性都是有利的。

 AP1000机组的反应堆控制棒组件1┱1模型,控制棒用来调节反应堆功率。  季天也/摄

极端事故也要保证主控室

记者还参观了三门核电厂的模拟主控室和海阳核电厂1号机组的主控室。主控室是核电机组的“最强大脑”,核电站运行操作的每一个指令都是从主控室里发出,决定着核电机组的每一个零部件运行状态。

 参观者自己的鞋是不能穿进核电厂主厂区的,必须换上这种防砸、防穿刺的安全鞋。  季天也/摄

主控室位于核岛厂房内。和参观核电厂主厂区其他地方一样,记者要在参观申请得到许可后,经过一系列安检,并由工作人员陪同、授权后才能进去。

主控室内的工作台上摆着一排电脑,十几块大屏幕高挂在墙上,显示着各种复杂的数据、图表和符号。进门需要套上鞋套,并且禁止拍照。核电厂操纵员就是在这里确保核电厂稳定运行和应急安全的。操纵员被誉为管理主控室这个“最强大脑的黄金人”。

走访中,记者了解到,截至2017年12月,三门核电厂培养了73名操纵员(取得RO执照才可当操纵员),40名高级操纵员(取得SRO执照),满足1号机组装料和后续启动工作的需要。海阳核电厂共有167名操纵员,其中42人为高级操纵员,另有7人正在申请操纵员执照。一个应届本科毕业生从参加工作开始,需要长达810年的不断学习和培训才能考取RO执照。

除了利用电脑操作,主控室的操作台上还设置了各种实体按钮和开关,有安全级的,有非安全级的。万一软件操作出现故障,还有物理按钮能控制,有保障,体现了核安全机制的多样性和纵深防御原则。假如不幸发生事故,核电操纵员“必须坚守在主控室,就像一艘船的船长”。

为了确保在事故状态下主控室的环境还能允许操纵员正常工作,核电厂有一套“主控室应急可居留系统”,包括水、食物、压缩空气储存罐、非能动热阱(热阱即排除余热的场所)。这套系统可以确保在72小时内,在11个人(即操纵员)值守的主控室里,温度升高不超过8.3摄氏度,二氧化碳浓度不超过0.5%。

 海阳核电厂工作人员(左1)为参观者讲解AP1000机组全新的安全机制

寿命提升50% 与国际标准同步

不少人还有这样的疑虑:AP1000作为新一代核电技术,目前还没有经过商业运行考验,到底靠不靠谱?记者在参观时与两座核电厂的技术人员交流,了解到,AP1000的蒸汽发生器、稳压器、汽轮机、燃料组件、反应堆压力容器等等,在原来的电站中已经反复用了几十年了,相关参数变化不大,用的完全是经过长期验证的成熟技术。“创新”除了最主要的非能动安全系统,还用到了爆破阀,以及主泵的类型从轴封泵改为屏蔽泵。这两种设备,在研制过程中同样经过了大量的实验,考虑了它们在未来60年运行过程中可能遇到的各种工况,已经充分验证了它们的可靠性。

 爆破阀模型。

  • AP1000爆破阀是第三代核电技术中的关键设备,在发生重大安全事故时,可利用爆破阀及时排出及缓解反应堆冷却剂系统大量的热量,最大限度提高核电站的安全性。  季天也/摄

引进AP1000是一个系统性的工程,不仅仅是建了4台机组,还有我国对这项技术的引进、消化、吸收和再创新的过程。AP1000作为第三代核电技术有一些重要特征,比如60年的寿期,原来的技术都是40年,从40年到60年是一个跨越。对它的引进和再创新,可以帮助国内企业熟悉并掌握美国“阿斯米”(ASME,美国机械工程师协会)标准,克服过去对这套规范的理解障碍。第三,在这些关键设备的背后,其实是我国重型装备制造业提供的一系列支撑,有些设备代表着我国基础工业的制造水平。

依托这几台机组的建设以及我国对AP1000的消化吸收过程,几个问题得到了解决。第一,我国实现了从二代设备到三代设备的“制造能力”跨越,建立了每年68台套的设备供应能力,而且不只是一家单位有这个能力。目前没有哪个国家能做到这点,只有中国能做到,这是引进AP1000的一个功劳。

首批4台AP1000机组中,三门一号机组——第一台AP1000国产化率是31.1%,海阳一号机组是44.4%,三门二号机组是71.8%,海阳二号机组是72%,平均是55%。

第二,就是帮国内企业熟悉掌握了美国的阿斯米(ASME)标准(详见本文《环境百科》)。我国建立了阿斯米标准中国工作组,推动阿斯米标准融入我国相应的标准体系里,时我国在核电方面的标准与世界接轨、同步,意味着国产设备出口到别的国家,用中国的标准未必被接受,但如果满足阿斯米标准他们就容易接受。

 参观者在体验手脚污染监测仪的使用  季天也/摄

模块化建造省时间

第三,我国核电行业做了大量研究工作,大大促进了基础工业的提升。相比以前的技术,第三代核电技术的生产工艺和制造方法也在变。据了解,在AP1000机组上,焊的东西少了,拿螺丝拧的东西少了,卷板、铸造的东西少了,原来有接头的地方现在没了。许多主设备的加工工艺正在用锻造逐步取代铸造。铸造工艺是一种金属热加工工艺,就是把高温的液态金属浇铸到模子中,待其冷却凝固成型。浇铸过程中可能会留有孔隙或者气泡,可能成为小隐患。而锻造工艺能优化微观组织结构,让材料更致密,避免这种缺陷。因为没有了焊缝、铸态疏松问题,同样材料的锻造件,强度、疲劳特性(影响使用寿命)等机械性能都明显优于铸造件和焊接件。

AP1000的另一个亮点是“模块化建造”:大量的生产和制造工作在工厂里完成,再运到现场像搭积木一样拼装起来,实现土建和安装同步进行。模块化建造有几大好处。

 AP1000反应堆在三门核电厂建设

比如,大大降低了核电项目的施工难度,减少了现场施工人数,相比建设二代核电厂缩短了建设周期,有专家预计甚至可缩短近一半工期。另外,通用零件批量生产,有助于降低工程造价。此外,工厂车间的作业条件比现场施工优越得多,产品的质量和耐用性会因此提升而且更可控。还有,事后运行和维修的工作量会大幅减少,维修成本下降。

【环境百科】

阿斯米标准

阿斯米标准即美国机械工程师协会标准。美国机械工程师协会(ASME, American Society of Mechanical Engineers)成立于1880年,是一个非营利性科技社团,在提供技术信息、培训和教育一体化服务方面拥有丰富经验,自成立以来制定了众多工业和制造业行业标准,其出版发行的约600项技术法规与标准,被世界100多个国家和地区广泛采用。美国机械工程师协会拥有当今世界公认的内容完整、技术成熟、结构缜密、安全可靠的技术标准,是众多国家相关标准与规范的基础和源泉,是国际市场接受并应用最广泛的技术标准。(萧野/整理)

本刊原创,如需要转载,请联系《环境与生活》杂志。

责编:叶晓婷

网编:吴燕芳


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