中国能源体系的建设——核电篇

中国能源体系的建设——核电篇

 

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核电基础知识

 

 

什么是核电站

 

火力发电站利用煤和石油发电,水力发电站利用水力发电,而核电站是利用核反应堆中核裂变所释放出的能量进行发电的电站。

核电站主要分为两部分:核岛和常规岛。

在核岛内利用核能生产蒸汽,常规岛则是利用蒸汽发电的部分。

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全球核电发展史

 

核电技术的发展晚于火电和水电技术。

1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电,第一座投入商业化运营的核电站的时间则是1956年。

 

全球核电的高速发展时期是20世纪的70-90年代,以美国为代表的西方发达国家纷纷大规模建设核电站。

从50年代到1970年,全球共建成了81座核电机组;到1990年,全球用于发电的核电机组的数量增加到了419座。

1990年至2022年,全球核电机组的数量仅有少量增长,基本维持在400多座的水平。

在1990年后全球核电机组没有再出现显著的增长。

 

美国、法国、日本、英国和俄罗斯是全球主要的核电大国。

2009年全球在运行的核电机组共有438座,总装机容量达3.7亿千瓦。其中,美国有104 座,总装机容量约1亿千瓦,法国有运行机组59座,总装机容量6326万千瓦,日本有运行机组55座(截至福岛核电事故之前),总装机容量4759万千瓦。

2022年,全球核电的总装机容量是3.93亿千瓦,相比2009年仅增加了0.2亿千瓦。

 

2021年全球核电发电量为2.8万亿千瓦时,在全球总发电量中的占比为10%左右。

在所有国家中,法国的核电占比最高,2021年核电占法国总发电量的比例达到70%左右。

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核电的发展并非一帆风顺,历史上核电站事故的发生多次引发了公众对核电安全的担忧,并一度使得全球核电发展陷入停滞。

著名的美国三里岛核电站事故、切尔诺贝利核电站事故、福岛核电站事故是典型代表,都对全球核电产业的发展造成了负面影响。

2011年福岛核电站事故的发生,极大延缓了全球核电站的建设,并使得部分国家如德国等决定放弃核电。

 

 

中国核电的发展过程

 

 

中国核电的发展比西方发达国家要晚很多。

中国建设的第一座核电站是秦山核电站,一直到90年代初才并网发电。

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早在20世纪50年代,当核电作为“新生事物”诞生时,我国第一代领导人就敏锐地意识到和平利用核能的重要性,指示相关科技人员要学习、研究并掌握。

20世纪70 年代初,我国核电技术的研发工作正式起步,即著名的“728工程”:1970年2月8日,针对当时全国普遍缺电的状况,上海按照中央领导指示精神,开始研究部署核电站建设工作,“728工程”由此起步。

1982年12月,在五届全国人大五次会议上,中国郑重宣布在浙江海盐建设秦山核电站的决定,中国核电事业的发展速度加快了。

1985年3月,秦山核电站浇筑了第一罐混凝土。

1991年,被誉为“国之光荣”的中国大陆第一座核电站——秦山核电站成功并网发电,中国核电自此实现“零的突破”。

秦山核电站一期是我国自主设计、建造的30万千瓦压水堆核电机组。

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如果说秦山一期核电站是“从无到有”,那么1986年开工建设的秦山二期核电站便是“从小到大”。

秦山二期1号机组装机容量为65万千瓦,约为秦山一期的2倍,同样是中国自主设计、自主建造、自主运营。

秦山核电站二期工程参考了大亚湾核电站引进的技术,以自主设计为主,同时引进部分设计。主要核电设备部分国内制造,部分进口,主要目的是为了学习西方的先进技术。

秦山二期1号机组于2002年成功并网发电。

 

国家从核电发展总体战略的角度,一直采取国内自主研发和引进国外先进核电技术并行建设的两条腿走路的方针。

大亚湾核电站和秦山核电站是在同一时期建设的,大亚湾核电站的设备完全是进口,且总体设计也是国外企业负责。

大亚湾核电站的建设,表明中国政府对待核电技术的客观和全面,既坚持独立自主建设秦山核电站,同时也并不拒绝学习西方先进的核电技术。在国家投资能力有限的条件下,保证了核电技术自主研发和引进同时进行。

在三代核电的发展中,我们将看到这个策略结出的丰硕成果。

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秦山核电站三期工程也是引进技术,但采用了与秦山一期二期和大亚湾核电站压水堆技术完全不同的重水堆技术,设备完全是国外供应。

秦山核电站三期工程的价值也在于提供了不同技术路线的参考价值。

 

岭澳核电站的土建设计由国内完全,设备供应全部由国外供应,仅少部分设备由国外企业分包给国内企业制造。

岭澳核电站仍然是中国核电技术引进的延续。

 

依托秦山核电站一期(“728”工程),中国的核电装备制造业掌握了30万千瓦等级核电站的全部设计和设备制造能力,并成功向巴基斯坦出口了成套设备。

依托秦山核电站二期工程,国产化的核电设备从30万千瓦等级跨上了60万千瓦等级。

依托岭澳核电站一期工程,我国企业完成了首台国产100万千瓦等级核岛主设备的研制。

 

中国的核电技术正是这样踏踏实实,一步一个脚印走过来的。虽然我们与国外先进技术仍然有差距,在当时仍然需要从国外引进技术,但是我们自己的技术能力在引进的过程中得到了培育,自主技术能力也得到了不断的锻炼和提升。

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在2004年前,中国仅仅建设了三座核电站,分别是:秦山核电站、大亚湾核电站和岭澳核电站。

2004年后,中国一方面开始谈判引进西屋公司的三代核电技术,另一方面继续采用二代核电技术建设了田湾核电站、红沿河核电站、福清核电站等数座核电站。

中国核电建设发展进入快车道是在2013年后,利用三代核电技术建设更加安全的核电站。

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中国三代核电技术的引进

 

 

三代核电技术相对于二代核电技术,主要区别在于保障核电站安全的系统在设计方面有本质的区别。

三代核电技术开发和设计了“非能动”安全系统以保障核电站的安全运营。这套系统不依赖外部或自备的交流电,而是利用重力、蒸发、冷凝、对流等自然动力,设计出一整套“非能动”安全系统,包括非能动堆芯冷却系统、非能动熔融物滞留于安全壳内系统、非能动安全壳冷却系统等,主要利用高位水箱的势能推动冷却剂循环,并利用爆破阀代替电动阀门,在事故情况下打开阀门,从而大幅度减少了核级阀门、泵和电缆数量,并大大减少了核级抗震建筑物面积。

 

2004年9月份,中国进行了第三代核电技术依托项目招标。

当时,全球已完成开发的三代核电技术仅有美国的AP1000、法国的EPR和俄罗斯的核电技术。

美国西屋公司虽然开发了三代核电技术,但美国当时电力需求不足,所以并没有开始建设三代核电站,但AP1000的技术方案已经通过美国核安全部门的严格审核。

法国EPR没有经过当地核安全部门审核,而俄罗斯的三代核电相对准备不足,个别方面还没达到三代标准。

 

三代技术引进的背景

 

2002年党的十六大召开后,国家核电政策发生了重大变化。

在此之前,中国政府的政策是适度发展核电,但这个度是多少不明确,也没有具体核电发展规划,所以1998年后的五年内,政府未核准新的核电项目。

2003年新一届政府决定将“适度发展核电”调整为“积极发展核电”,决定启动一批新的核电项目,并引进世界先进核电技术。2005 年3月,经过长期的调查论证和民主讨论,国务院原则上通过了由国家发改委主持起草的《核电中长期发展规划(2005-2020 年)》,标志着中国核电开始由适度发展战略向积极发展战略迈进。

2007年10月,国务院正式批准《核电中长期发展规划(2005一2020年)》(简称《中长期规划》)。《中长期规划》提出,贯彻“积极推进核电建设”的电力发展基本方针,提出到 2020 年,核电运行装机容量争取达到4000 千瓦,核电年发电量达到 2600亿~ 2800亿千瓦时。

《中长期规划》的发布,标志着我国核电正式进入高速发展阶段。

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党中央决定新建核电站一定要采用当时世界上最先进、最安全的核电技术,如果国内短期开发不出这样的技术,那就采取国际招标,引进国外最先进和最安全的核电技术,走消化、吸收、再创新的自主化道路。

这就是三代核电技术招标的背景。

根据国内核电专家的投票,最终选择了美国西屋公司的AP1000作为我国三代核电技术的引进对象,并组建了国家核电技术公司负责将招标的核电技术落实,把依托招标技术的核电站工程建设起来,并对引进的技术进行消化、吸收和再创新。

 

引进AP1000的谈判

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在与西屋电气的谈判中,关于中方再创新的知识产权问题,双方争议比较激烈。

为了给再创新留有余地,我方坚持在合同中写明中方在AP1000基础上作出重大改进和再开发的堆型,拥有自主知识产权(西屋是压水堆技术的鼻祖,法国、德国、日本等压水堆技术都是从西屋公司引进的)。

在2006年初商务谈判之前,我们邀请了“AP1000之父”Brushes等来华,与我方的几位两院院士座谈,西屋公司领导也参加了会谈。会谈中,我方专家指出,AP1000功率比EPR小40%,在首堆建设过程中还会发生一些设计调整,中国各区域电网容量很大,中方准备在AP1000技术基础上,通过再开发和建设一系列试验台架进行验证,开发出更大容量(如140万千瓦和170万千瓦)的非能动压水堆,并拥有自主知识产权。

 

西屋公司对这项条款态度出现反复,最终提出折中方案,即如中方自己开发的非能动大型压水堆功率超过135万千瓦,则中方拥有自主知识产权,可以对第三国出口,但对美国和日本出口,须与西屋公司合作出口。

我方研究同意了此方案,中方取得了自主创新的大型非能动压水堆核电站的自主知识产权。

后来,国务院常务会议确定在中长期科技发展规划中列入“大型先进压水堆核电站”作为重大专项,即CAP1400核电项目。

 

其次是合作方式。

中方坚持建设4台AP1000机组的依托项目,不采用交钥匙方式,中方要广泛参与设计、设备制造、建造和调试。

最终达成协议,土建安装由中方负责,为吸收模块化施工经验,中方同意聘请一批美方专家,组建JPMO(联合项目管理机构)。在设备供应方面,中方只采购两套主设备(压力容器、蒸汽发生器等),其余两套都由中方按美方转让的技术在中国制造,美方提供技术支持。所有辅助设备按美方提出的技术要求由中方制造和采购。设计工作,由中方派出技术人员参加。

这项条款为三代核电技术AP1000的国产化和自主开发AP1400提供了有利的条件。

中国不仅要消化AP1000技术实现核电设计的自主化和设备的国产化,还要在AP1000的基础上开发出中国自主品牌的CAP1400、CAP1700大型压水堆。

 

2007年7月,国家核电技术公司与美国西屋技术许可公司等6家国外技术转让方签订了一揽子五项技术转让合同,代表国家统一受让AP1000核电技术。

2009年12月,AP1000技术的两个依托项目一浙江三门核电站和山东海阳核电站各2台机组相继开工,AP1000三代核电技术正式进入实施阶段。

 

国家核电技术公司将发挥“主体、载体和平台”的作用,可按照国务院确定的“公平、有偿共享”的原则,向国内核电及相关产业的科研设计、设备制造、工程建设及运行服务单位有序推进技术分许可工作,以培育完整、配套的三代核电产业体系。

中方对引进 AP1000 技术提出了“三个百分之百”的要求,即百分之百满足首批4台核电机组工程建设需要;百分之百保证AP1000 技术的完整转让;百分之百实现AP1000 关键设备的国产化。

总的来说,经过与西屋公司的艰苦谈判,基本达到了我们预定的目标。

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中国三代核电技术的自主发展——国和一号和华龙一号

 

 

国和一号

 

通过核电重大专项及引进技术AP1000依托项目的实施,我国形成了国产化CAP1000的设计建造能力,并在此技术上开发出功率更大、具有自主知识产权的CAP1400,即“国和一号”。

 “C”是中国英文单词的首字母,“A”、“P”分别代表先进(Advanced)和非能动(Passive),意指中国自主设计的、装机容量达140万千瓦级以上的先进非能动核电技术。

 

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“国和一号”是中国在引进、消化吸收第三代先进核电AP1000非能动技术的基础上,通过再创新形成的具有完全自主知识产权的第三代核电型号。

“国和一号”的研发工作历经了12年。2008年2月,国务院第209次常务会议上通过重大专项总体实施方案,将CAP1400的研发和示范工程建设列为国家科技重大专项的重点任务。“国和一号”的研发工作自此正式启动。

2014年1月,该技术初步设计通过国家能源局评审;2016年2月,通过国内联合安全审评;2016年4月,通过国际原子能机构通用安全审评,获得国际认可;2020年9月正式对外发布。

 

作为全球最大的非能动压水堆核电站,“国和一号”单机组输出功率约1500兆瓦,年发电量可以满足超过2200万居民的年用电需求。 “国和一号”示范工程一期两台机组的建在山东省威海市荣成石岛湾核电站。

 

“国和一号”由国家电投上海核工院牵头研发设计,涉及700余家单位、3.1万余名技术人员,集我国三代核电技术和产业创新之大成。

在整个“国和一号”研发过程中,主泵、爆破阀、压力容器、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒驱动机构、大锻件、核级焊材、690U型管等核电关键设备、关键材料全部实现自主化设计和国产化制造。国家电投上海核工院对每项关键设备材料培育2-5家国产化供应商,以确保项目风险可控、价格合理、具有竞争力。从“肺”,到“心脏”主泵,再到堆芯的燃料组件、大锻件、690U型管,在十余年的研发攻关后,“国和一号”当前整体国产化能力已达90%以上。

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华龙一号

 

华龙一号的技术来源有两个:中国核工业集团的ACP1000和中广核的ACPR1000+。

 

中核集团在建设秦山核电站一期工程时自主设计开发了CNP300(30万千瓦核电机组),在建设秦山二期工程时设计了CNP600(60万千瓦核电机组)。在此基础上,中核集团开发了国产百万千瓦级压水堆CNP1000。

在三代核电技术的发展过程中,中核集团继续开发了ACP1000.

 

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CRP1000堆型是中国广核集团推出的中国改进型百万千瓦级压水堆核电技术方案。

它是在引进、消化、吸收大亚湾核电站M310核电机组技术的基础上,结合20多年来的渐进式改进和自主创新形成的二代加百万千瓦级压水堆核电技术。

CPR1000保持M310堆芯不变,但根据运行经验反馈和法国同类机组批量改造计划,进行了多项技术改进,其中重大改进有15项。

 

在CPR1000的基础上,中广核结合“非能动”的安全理念进一步开发了ACPR1000+。

2012年11月22日,中国核能行业协会在深圳组织召开了中广核集团ACPR1000+技术方案评审会,中国核能行业协会副理事长赵成昆主持评审会。经过评审,专家组对ACPR1000+型号研发工作表示肯定,认为ACPR1000+技术方案是中广核集团在二十多年引进、消化、吸收国际压水堆核电技术(M310)的基础上实现自主创新的重要成果,总体水平达到了三代核电技术水平,可以作为我国后续核电发展的技术选择之一,为我国核电“走出去”战略提供了有效技术支撑。

 

中广核在2012年完成了ACPR1000+技术的研发,而中核集团则在2013年完成了ACP1000技术的研发,两家的技术都满足第三代核电标准的要求,且拥有自主知识产权。中核集团和中广核都希望得到国家能源局的批准用自己开发的技术在国内建设示范项目,但都未能获得批准。

 

2013年国家能源局局长吴新雄提出了将中核ACP1000和中广核ACPR1000+技术进行融合的设想。国家能源局希望借此次融合促进我国三代自主核电技术的标准化生产,结束混乱的核电局面,在资源上减少浪费。

2014年8月22日,“华龙一号”总体技术方案通过国家能源局和国家核安全局联合组织的专家评审。专家组一致认为,“华龙一号”成熟性、安全性和经济性满足三代核电技术要求,设计技术、设备制造和运行维护技术等领域的核心技术具有自主知识产权。

 

2023年5月5日,我国自主三代核电技术华龙一号全球首堆示范工程——福清核电5、6号机组正式通过竣工验收。

华龙一号全球首堆示范工程全面建成,标志着我国核电技术水平和综合实力跻身世界第一方阵,为我国形成了一套完整的、自主的三代核电型号标准体系,大幅提升了中国核电的全球竞争力,对优化我国能源结构、推动绿色低碳发展具有重要作用,也为华龙一号后续批量化建设项目提供良好借鉴。

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“华龙一号”的诞生远远超出了国家2003年的规划设想。

原本国家规划的三代核电技术是从西屋公司引进的AP1000以及后续开发的AP1400,并为此进行了大量的工作。

现在不仅AP1000和AP1400达到了当初技术引进和自主开发的目标,中核集团和中广核集团为开发了完全具有自主知识产权的“华龙一号”三代核电技术,这是惊喜!

 

“华龙一号”三代核电技术的开发成功,是中国工业能力全面提升的结果和表现。

中国的市场规模足够大,有能力支持多个技术路线的开发;中国的技术人才和技术基础也足够的深厚,有能力支持多个技术路线的开发!

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核电在中国能源体系中的作用

 

2020年,中国的核电装机容量是4986万千瓦,占全国电力总装机容量的2.3%。

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2020年,中国的核电发电量是3663亿千瓦时,占全国总发电量的4.9%,占全球核电总发电量的13.6%。

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2020年,中国的核电发电量已经超过了法国,仅次于美国,是全球第二大核电国。

中国的核电仍然在快速发展过程中,预计在未来将远远超过法国、日本等原来的核电大国,但是与美国仍有较大的差距。2020年美国的核电发电量为8315亿千瓦时,是中国核电发电量的两倍多。

 

中国核电相对于美国和法国的一个主要优势是在安全性上。

中国在运营的核电机组大部分是三代技术,新建的机组全部是三代机组,而美法两国的核电机组主要是二代机组。

 

中国核电的装机容量和发电量在中国电力工业中的占比相对较小,甚至已经逐步被风电和光伏发电超过。

但是核电是中国电力工业的重要组成部分,是中国能源体系多样化的技术路线之一,是保障中国能源供应安全的重要技术路线。

 

中国核工业的广大工作人员通过努力实现了中国核电技术的领先,为中国能源供应的安全做出了自己的贡献!

 

 

 

 

 

 

 

 

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