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      “華龍一號”的市場競爭力怎么提升?這個課題組研究了一年半

      2022-04-21 13:41  來源: 中國核工業    CUR  華龍一號  核反應堆  三代核電

      為了推動華龍技術發展并實現從并跑到領跑的跨越,從用戶角度對設計產品提出明確要求的需求也更為迫切。在此背景之下,2020年12月,中核集團設立了CUR研究課題。


      隨著“華龍一號”示范工程的建成投產,其批量化建設和優化改進,以及后續機型的研發已經提上日程。為了推動華龍技術發展并實現從并跑到領跑的跨越,從用戶角度對設計產品提出明確要求的需求也更為迫切。在此背景之下,2020年12月,中核集團設立了CUR研究課題。

      CUR的研究歷時一年半時間,集成中國核電30余年設計、建造、運營的經驗,借鑒美國URD和歐洲EUR的要求,以“華龍一號”為基礎,參考AP1000、EPR以及VVER的先進技術特點和設計優勢,研究形成具有中國特色的CUR。CUR對引領中國未來壓水堆核電的技術升級,提升中國先進壓水堆的市場競爭力,具有極其重要的意義,對建設單位和營運單位的項目策劃和選擇也具有很強的指導意義。

      基于“華龍一號”堆型的中國先進壓水堆用戶需求研究

      截至2022年1月5日,我國并網核電機組達到53臺,總裝機容量5463萬千瓦,僅次于美國93臺9552萬千瓦和法國的56臺6137萬千瓦,位居世界第三;在建核電機組16臺,總裝機容量1751萬千瓦,連續15年位居世界第一。國家制定碳達峰碳中和目標后,能源結構轉型對核能的發展也帶來新的機遇,未來15年乃至更長時間將有更好的發展空間。

      中國大陸自1991年第一臺核電機組并網發電以來,堅持自主設計與引進消化吸收并重的技術發展路線,經過30余年的努力,已發展出CNP300、CNP600、CNP1000、HPR1000(“華龍一號”)等自主壓水堆核電技術,同時建設了加拿大CANDU重水堆、俄羅斯VVER、法國EPR、美國AP1000等先進壓水堆核電機組。2021年1月“華龍一號”首堆福清核電5號機組投入商業運行,標志著中國自主知識產權的三代核電技術躋身世界先進行列。

       
      ▲ 福清核電6號機組常規島完成汽輪機組軸系找中

      迫切需求從用戶角度對產品提出明確要求

      未來10~15年,國際核電發展仍然以建設三代核電技術為主,三代核電技術的優化完善應當在保證安全性的同時顯著提高經濟競爭力。目前已建成的AP1000、EPR和“華龍一號”三代機組,工程造價都比二代改進型機組高出不少。隨著中國電力市場改革的深化,核電機組已不可能“一廠一價”,必須參與到當地電力市場的競爭中,運營單位的壓力也將越來越大,因此必須從用戶需求出發對核電站的設計、建設和運營提出更加符合現代要求的核電機組產品,以用戶為需求導向制定中國先進壓水堆用戶要求文件(CUR)意義重大且非常必要。

      1990年美國電力研究所(EPRI)發布了先進輕水堆的用戶要求文件(URD);1994年歐洲電力用戶發布了歐洲用戶要求文件(EUD)。URD和EUR發布后得到全球核工業界的高度重視,為美國和歐洲新型反應堆技術的研發設計提出了明確的用戶要求,促進了美國AP1000、法國EPR三代核電技術的誕生。至今URD已升至第13版,EUR已升到E版。原中國核電工程有限公司常務副總工程師、北京核工程研究設計院院長信天民等早在2014年就研究提出,制定中國核電發展所需要的用戶要求文件,可為我國自主核電機型的標準化設計、審批、建造和出口起到積極的推動作用,也提出了中國用戶要求的總體框架建議。

      ▲ 華龍一號海外首堆工程——巴基斯坦卡拉奇核電2號機組

      CUR研究目標及參數

      CUR研究的總體目標是:對先進壓水堆核電廠的設計、建造、調試、運行和退役等工作,在安全性、先進性、經濟性、成熟性等方面提出具有指導性和方向性的總體要求;貫徹安全性與經濟性的綜合平衡,體現技術的發展進步以及用戶要求的與時俱進,體現中國先進壓水堆主要指標的先進性,突顯中國先進壓水堆在國內國際市場的綜合競爭力;優先引用中國標準,以促進中國自主化核電標準體系的應用,推進中國自主化標準的更新升版和完善;具有中國自主知識產權,形成內容完整、邏輯自洽的用戶要求體系。

      “華龍一號”示范工程首堆建設工期為68.7個月[4],遠低于美國AP1000和法國EPR的首堆工程建設工期(均超過了100個月),投資成本更低,首循環運行期間各項運行指標都很優秀。

      為了推進未來中國壓水堆核電技術向著更先進、更安全、更經濟的方向發展,CUR在主要指標和參數的研究確定上,充分考慮未來十年的可實現性,提出了相對較高的目標要求,與URD和EUR最新發布版本的指標參數值處在同等水平,部分參數要求更高。CUR主要指標參數見表1。



      ▲ 表1:CUR主要指標和參數(含與URD、EUR對比)

      1. CUR安全性指標更高且可達

      CUR的主要安全性要求達到甚至超過國際先進水平:堆芯損壞頻率(CDF)≤10-6 /(堆·年)、大量放射性物質釋放頻率(LRF)≤10-7 /(堆·年);如果發生事故,操縱員不干預時間≥30分鐘,電廠自治時間≥72小時。在此基礎上,CUR還提出了增強的安全要求,包括:核燃料以零泄漏為目標;職業照射工作人員的劑量約束值≤15 mSv/年,職業輻照集體劑量≤0.4人·Sv/(堆·年);要求海水系統取水口設計及其防護設計應根據廠址特點考慮特定災害如海生物、魚蝦等突然爆發的風險和有效應對措施;設置人因工程要求專篇,有效降低發生人因失誤的可能性及其對安全造成的影響;強調網絡安全等。

      2. CUR經濟性指標體現了中國工程技術優勢

      建設項目工程造價不高于13000元/千瓦,電廠主設備壽期設計60年,可通過許可證延續申請延長至80年甚至更長,同時80年中不需要過長時間的延長壽期整修性停役;單臺機組建設工期不超過48個月;機組設計可利用率>93%;具備24個月換料能力;燃料循環90%壽期內不調硼負荷跟蹤;廠用電率小于6.5%。

      3. CUR環保類指標是中國核電30年運行成果的結晶

      按照國家和地方的最高要求,實現雨污分流、工業廢水處理。液態流出物對內陸廠址以“近零排放”作為設計目標。同一廠址的所有機組向環境釋放的放射性物質對公眾中任何個人造成的有效劑量設計目標值為0.1mSv/年。合理可行降低放射性固體廢物、一般工業固體廢物、建筑垃圾及危險廢物的產生量;放射性固體廢物按堆(1000MWe)計每年產生量不多于30m3。

      4. 燃耗性能和機組容量方面還需進一步努力

      我國在燃料的燃耗性能方面還存在一定差距,現階段一般采用的卸料組件燃耗限值為52000 MWd/tU,對燃料的經濟利用形成了限制。CUR規定的組件最大卸料燃耗≥57000 MWd/tU,與URD和RUR的要求相比略顯不足。


      ▲ 福清核電6號機組裝料

      CUR規定的機組容量為≥1200MWe,還有待進一步拓展。另外,CUR尚未涵蓋中型堆和小堆的范圍,但可以借鑒使用,在今后升版時予以補充。

      CUR的框架與內容設計

      美國URD第13版擴展包含了模塊小型輕水堆,整個文件已整合為一卷,包含三個層級:第0層為管理摘要,第1層為政策申明與用戶頂層要求,第2層為改進型、先進非能動和小型輕水堆詳細用戶要求。

      歐洲EUR文件吸取了URD的經驗,分為4卷編制:第1卷是主要政策和目的,第2卷為核島通用要求,第3卷是EUR的應用(針對不同機型),第4卷是發電部分的要求。主體內容第2、4卷是按專業或專題編寫,對于系統配置相對更為靈活。

      CUR力求體現中國30余年的核電設計、建設、運行經驗,將促進設計提升、機組性能提升的要求明確到用戶要求文件中。考慮到CUR是針對我國未來先進壓水堆自主研發的要求,還應更加適應中國的管理習慣和思維方式。

      CUR按照中國式的文件格式進行編排,覆蓋總體、核島、常規島、電廠配套設施等設計領域,每個領域進一步細分為專業、系統或子項,并且從設計要求延伸到建造、調試、運行、退役等全生命周期的要求,共設計了27個章節。

      CUR主要特征

      CUR是中核集團運行電廠牽頭,聯合設計院共同研究提出的,經過了核電同行廣泛深入的審查,具有以下五大特征:

      中國智慧:CUR的總體布局符合中國思維方式,內容與格式布局采用中文常規模式。以中國標準體系為基礎,共引用中國法律、行政法規與部門規章、核安全導則、標準600余項。體現中國高度,兩個“零容忍”落實核安全與質量責任。凝練30多年來中國核電機組設計、建造、運營管理與監管經驗,引入電廠重要經驗反饋2000余條。

      綠色發展:CUR積極響應“兩山理論”、“雙碳”目標[5],將環境友好列入總體原則,要求核電廠對周邊環境和居民具有良好的相容關系。環境友好性貫穿于核電廠選址、設計、建造、運行和退役的全周期、全范圍。

      數字融核:CUR積極實踐習近平主席在2021年5月19日見證中俄核能合作項目——田灣核電站和徐大堡核電站開工儀式時提出的“推動核能產業和新一代數字技術深度融合,為全球核能創新發展貢獻更多智慧”的號召,在國際上率先提出了核電智能技術應用總體要求。從促進核電積極安全有序發展,提高核電勞動生產率,帶動核電產業鏈轉型升級的角度,提出了包括數字交付在內的智能化應用十個方面的具體要求。

      安全至上:CUR提出了卓越、先進、可靠的核安全目標,符合國家核安全戰略和核安全中長期發展規劃的要求。

      經濟高效:CUR要求中國先進壓水堆核電廠具有較強的經濟性和市場競爭力,促進核電產業健康持續發展。

      CUR在我國首次全面提出了先進壓水堆的用戶要求,形成了具有自主知識產權的用戶要求文件,具有國際先進水平,將為我國核電積極安全有序發展提供有力的支持,促進我國核電“走出去”。隨著我國各類型核電機組運行經驗的積累,隨著核電技術的不斷更新發展,CUR將適時考慮升版并包絡新的要求。

      參考文獻:

      [1] 王繼東.關于編制《中國先進壓水堆核電廠要求文件》的建議[J].標準化工作,2011, 2011(04): 42-45.

      [2] 信天民,黃偉峰,劉純一等.關于編制中國核電用戶要求文件的總體設想[J].研究與探討,2014, 2014(02): 2-9.

      [3] 曲靜原,薛大知.先進輕水堆核電站的用戶技術設計要求[J].核動力工程,1999, 20(5): 465-470.

      [4] 原詩萌.“華龍一號”創新啟示錄[J].國資報告,2021,2021(02): 071-075.

      [5] 高樹超.確保安全前提下積極有序發展核電 助力實現碳達峰、碳中和目標——專訪中國核工業集團有限公司副總經理曹述棟[J].中國核電,2021, 2021(03): 295-299.

      (本文為中核集團中國先進壓水堆用戶要求文件研究課題,作者為陳國才、廖澤軍、劉志勇、吳宇翔、崔懷明、魏智剛、吳向東,作者單位為中核國電漳州能源有限公司、核電運行研究(上海)有限公司、中國核電工程有限公司、中國核動力研究設計院、中國核能電力股份有限公司。)



      圖為技術

      深圳核博會

      中國核電網


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