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技術引領鑄就國之重器,打造世界核電的“中國力量”

編者按:爲充分展示新中國成立70周年、上海解放70周年上海産業和信息化發展的光輝曆程、偉大成就和寶貴經驗,人民網上海頻道與中共上海市經濟和信息化工作委員會即日起聯合推出“壯麗70年·建功新時代——上海制造新氣象新作爲”主題報道。

系列報道重點挖掘新時代“上海制造”發展曆程中先進的思想、優秀的作品、神奇的科技、震撼的工程,講好上海故事,傳播制造精彩,展示上海産業人勇當排頭兵、先行者的不凡業績,全力打響“上海制造”品牌。

早在40多年前改革開放初期,中國核電事業還處于起步、“拓荒”階段。伴隨著改革開放大潮,中國在民用核電領域實現從無到有、從小到大,中國“核電夢”一步步實現。

從跟跑到並跑再到領跑,中國潛心研究開發的自主核電技術在滿足自身能源需求的同時,也實現了從技術到産業的“逆襲”,成功打入國際市場,中國正成爲世界核電技術與核電工程建設的重要貢獻者之一。從“中國制造”到“中國創造”,中國核電也正成爲代表中國高端制造業走向世界的“名片”。

自主設計中國大陸第一座核電站——秦山核電站

1985年3月20日,秦山核電站澆灌第一罐混凝土,該工程是我國核電自主研發的起點,被譽爲“國之光榮”。同時,它也是上海核工院(728院)獨立自主進行核電研發的起點。


秦山核電站項目獲國家科技進步特等獎

從此,“自主創新”這個基因被深深烙在728院人的基因裏。如今的改革開放新時代,這支與中國核電同時起步的“鐵軍”在大型先進壓水堆核電站國家重大科技專項研發奮進搏擊,推動國家核電産業鏈實現跨越式、自主化發展。

2007年,黨中央、國務院作出了“引進先進技術、統一技術路線、高起點實現我國核電自主化”這一重大國家戰略決策,上海核工院作爲技術主體,承擔著我國引進消化吸收第三代先進核電技術AP1000,並在此基礎上實現創新研發國家科技重大專項大型先進壓水堆CAP1400核電站的曆史重任。


國家科技重大專項大型先進壓水堆核電型號國和一號(CAP1400)

AP1000到CAP1400(國和一號),看似只是多出一個字母、僅有一個數字之差,卻是一次艱辛的跨越。但是,他們卻做到了。


    解決“卡脖子”難題  核電設計踏上自主品牌研發路

上海核工院作爲大型先進壓水堆核電站重大專項技術牽頭單位,借助新型舉國機制,從2007年開始,聯合國內相關大學、科研院所、制造業等産學研200多家單位、2萬名技術人員開展了中國核電發展曆史上最波瀾壯闊的科研攻關。

2006年11月,我國幾經周折最終確定引進美國西屋公司的AP1000核電技術,並確認爲未來中國核電發展的主流技術路線。當時我國雖然有一定的核電産業基礎,但是全面對接三代核電技術,完全實現自主化還有一定的距離。引進了國外的先進技術之後,如何讓其在國內的核電土壤上生根發芽,實現核電設備國産化,推動核電技術自主化,迫在眉睫。

大型先進壓水堆重大專項總設計師、上海核工程研究設計院院長鄭明光回憶起那段十年磨一劍的歲月,用四個字向記者概括——困難重重。


國和一號自主化主泵研制現場

在專項實施之前,我國核電産業發展一直面臨幾個“卡脖子”的關鍵難題,他們存在于研發、設計、制造等各個領域,如設計自主化,材料國産化(如蒸汽發生器690U型管、核級焊管、大鍛件)等。國産化,並不意味著只是簡單將圖紙、文件翻版成中文,而是一個結合工程反饋和實際設計經驗,全面創新和優化的設計過程。

對這些難題進行逐一突破,就好比是參加一場閉卷考試。


國産化690合金U形管

拿蒸汽發生器690U型管來說, 國外把相關的研究數據、關鍵工藝視爲核心技術,對我國實行嚴格封鎖。最初時,項目組想去國外采購,多次嘗試都未能成功。最後,決定咬著牙迎難而上。上海核工院和寶銀特鋼板、久立特財一起,曆經六年攻堅克難,通過大量試驗、多輪論證,最終建立了690U型管綜合研究評價與制造體系,國內相關制造企業完成了從不會到會、從二代到三代的蛻變,裝備制造能力實現了整體跨越。

在十年間,國和一號/CAP1400項目突破了國産化標准設計、型號設計、試驗驗證、核電站安全審評、主設備消化吸收、關鍵設備超大鍛件研制、安全殼制造、核島建造安裝等大量關鍵核心技術。

據鄭明光介紹,目前國和一號CAP1400已經實現超85%設備國産化制造,所有核心設備基本實現國産化。

所有的創新都必須建立在一個大前提之下,就是實現核電技術的完全自主化。在型號頂層設計、總參數層面突破知識産權限制,成爲一個必須跨越的攔路門檻。

2007年底,基于當時國內的制造業水平,專家認爲國和一號/CAP1400主泵、安全殼、蒸汽發生器應依舊參照AP1000,設計基本保持不變,只將堆芯的燃料組件從157組變成193組,反應堆熱功率初定爲373萬千瓦。然而在2009年,AP1000技術的所有方美國西屋公司提出,如果國和一號/CAP1400熱功率只有373萬千瓦,毛電功率和淨電功率就只有約140萬千瓦和130萬千瓦,沒有突破合同中關于中方具備自主知識産權的條款,國和一號/CAP1400沒有自主知識産權。

“我們充分利用了國內已有的試驗技術基礎與經驗,發揮了相關的核電資源的優勢,體現了新型舉國機制、團隊協作和創新的精神。”鄭明光帶領著他的項目團隊肩扛重擔,迎難而上。突破知識産權限制的目標,倒逼成就了我國建設、建成了先進非能動技術創新體系,培養和鍛煉了一大批人才隊伍,夯實了我國核電技術試驗驗證和型號開發的創新能力。


壓水堆重大專項總師鄭明光在國際原子能機構科學論壇介紹國和一號(CAP1400)

截至2018年底,壓水堆重大專項已形成知識産權4699項,其中發明專利325項,獲得中國授權專利1705項,各類標准751份,形成新産品、新工藝、新材料、新裝置等293項,新建43個試驗台架,實現了我國三代核電技術研發、工程設計、設備制造、試驗驗證的自主化。

    推動三代核電産業鏈協同發展 構建産學研用四位一體創新體系

核電項目最重要的是什麽?更高的安全性、更好的經濟性,而國和一號/CAP1400,正是奔著這個目標去的。鄭明光表示,通過實現技術自主化及設備國産化,從而進一步實現了自主研制,CAP1400與AP1000相比,安全性與經濟性上更具競爭力。

在經濟指標上,CAP1400相比AP1000有所提升的表現之一在于積累並建立了有效的産業鏈體系。十余年來,制造企業逐漸全面掌握反應堆壓力容器、蒸汽發生器、數字化儀控系統、燃料組件、核級泵閥等三代核電關鍵設備技術,形成了一批具有世界先進水平的設備材料制造基地,建成了由160余家企業組成的面向國內外的三代核電設備供應鏈體系,具備年産6到8台套核電設備的能力,推動了裝備制造業從二代跨越到了三代。

不少的企業都具備制造能力,同類設備都具有數家制造單位的設備制造體系,在這種充滿競爭力的産業鏈體系下,形成了一種良性的社會競爭氛圍,建立了有競爭氛圍的産業格局。“特別就是像我們院對關鍵設備、關鍵技術都一般都是由幾家單位同時參與相關工作,形成了一種良好的技術發展機制,實現了高效的項目管控。”在鄭明光看來,這種競爭在促使技術得到多發展的同時,也將推動價格合理化——不追求價格最低但追求價格合理,使核電從研發、設計、制造、建造、運行各個方面都具有合理利潤,使核電能夠有序、有效、可持續發展。

良性的競爭氛圍可以促使核電産業鏈實現跨越發展,而型號創新則是推動全産業鏈發展的源頭動力。

“先進型號的發展,可以推動整個産業的發展。”壓水堆重大專項副總設計師、上海核工院副院長嚴錦泉認爲,創新思想的源頭在于國內相關高校及科研院所 。而目前,上海核工院也正在積極構建産學研用相結合的三代核電創新體系。

2013年,在上海市科委的支持下,上海核工程研究設計院聯合上海交通大學、上海電氣核電集團,建設上海核電工程技術研究中心,形成了以上海核工院爲依托的研究開發基地、以上海交通大學爲依托的試驗研究基地,以上海電氣核電集團爲依托的裝備制造基地,四位一體的先進核電“産學研用合作”平台——上海核電工程技術研究中心。它充分發揮上海地區高等院校、科研院所、裝備制造企業集聚、配套完整的優勢,打造出一流的研究開發支撐體系,並逐漸輻射全國,取得一大批優秀成果,支撐了壓水堆重大專項研發,促進了核電技術的創新發展,支撐了三代核電産業鏈建設,CAP1000、CAP1400主設備實現國産化率達90%以上。

嚴錦泉表示,依托上海核電工程技術研究中心建設,上海核工院形成以6個分中心、21個聯合技術中心爲核心的創新體系,並積極籌建先進核電國家技術創新中心,同時融入上海市科技創新中心建設,支撐核電非能動型號系列化以及配套的核電燃料、主設備、特種材料、核安全驗證、核電工程設計等技術和産業開發,形成先進核能全産業鏈創新和産業體系,引領世界核電系列化、標准化、智能化和産業化發展。

目前,在重大專項的支持下,上海核工院在全面掌握先進非能動核電技術的基礎上,基本建成了以型號爲核心驅動的核電技術研發體系。在這條創新生産線上,已經完成了CAP1000標准設計,完成國和一號/CAP1400型號開發,完成了CAP1700概念設計,現正全面開展CAP-S多個小堆型號的研究。

    從 “求分享”到“走出去”  打造世界核電的“中國力量”

國和一號/CAP1400當初的定位就是在引進消化吸收AP1000的基礎上,實現再創新、自主知識産權和獨立出口權。到今天,這些當初設立的、面臨巨大挑戰的目標基本實現。

國和一號/CAP1400先進的設計理念、完整的研發技術與其處于世界領先地位的安全性、經濟性等優勢都使得這一型號“走出去”的競爭力逐步提升,而如今,國和一號/CAP1400已經成爲我國核電“走出去”的名片。鄭明光向記者介紹這些對外交流的成果:“目前土耳其、南非等已經與我國就CAP1400技術合作開展了深度交流,簽訂了相關合作協議。”

中國核電之所以能走出國門,緣于自主研發核電技術的飛速發展,緣于中國核電正在逐步形成的面對未來的發展能力。壓水堆重大專項的實施構建起了一個完整的設計研發體系和協同創新體系,包括完整的設計分析體系、設計軟件體系、設計標准體系、試驗驗證體系、安全審評支持體系等,支撐CAP1400成爲擁有完全自主知識産權與國家競爭力的核電型號,爲後續高質量、高水平、可持續、自主化發展提供了基礎,這是一筆無比寶貴的財富。

未來,國和一號/CAP1400作爲中國核電“走出去”的先鋒,將堅持創新引領,對標國際先進水平,實現核電高質量、高水平、可持續、自主化發展,積極參與國際交流合作,在國際舞台上展現中國的 “核”心競爭力。

    聚焦前沿技術 推動構建智慧核能生態圈

隨著工業4.0的到來,中國企業對創新和制造力的呼聲越來越高。“上海核工院作爲一家設計院,也正朝著設計4.0的方向發展。”上海核工院院長助理、數字化研發工程部主任方舟表示,圍繞未來科技發展的重大需求,上海核工院提出了建設數字化核電研發設計體系的戰略目標。

數字化研發體系是型號研發的設計平台或者說設計母機。方舟介紹道,上海核工院構建的數字化體系是圍繞核電型號整個研發設計業務流程來建設。從最早的型號研發方案階段,到工程設計階段,再到最後的驗證全過程,數據貫穿這整個過程。通過數據的有效整合和集成,核電研發、設計、試驗驗證、設備制造、建造、調試、運行、維護等流程將全面實現智能化、自動化,將大幅度減少叠代,提高研發設計的效率和質量,其成果可直接應用于數字電廠與下一代核電型號的開發,推動構建“智慧核能”生態圈。

    非能動核電廠多功能綜合驗證平台

值得一提的是,在未來,會有更多先進技術應用到核電運行安全管理中去。“雖然目前這些應用還是趨于保守,但是未來還是有很大應用前景。”方舟設想道,在未來,人工智能可以幫助建設“智慧電廠”,助力電廠運行的檢測診斷。他分析道,人的安全和設備的運行情況可能是所有電廠運行最關切的問題,新技術可以更好地去解讀並解決這些行業的痛點問題。