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【本期关注】“华龙一号”自主设计一年来取得进展
文章来源:中国核工业杂志 日期:2016年07月29日


    “华龙一号”全球首堆示范工程——福清核电5号机组自2015年5月落地以来,工程建设稳步推进,技术的经济性、安全性、先进性不断优化,目前已进入全面建设阶段。为保证工程里程碑节点按期或提前实现,“华龙一号”的设计者——中国核动力研究设计院设计与科研实验人员,继续发扬“自主创新、勇攀高峰”的核动力院精神,用智慧、辛勤和汗水攻克了一个个技术难关,收获了无数个弥足珍贵、万众瞩目的技术成果,创造了多个国内乃至国际第一,与工程建设者们一起共同经历、见证和推动了“华龙一号”从设计图纸到工程建设的落地和实施。

  挑战限值

  ——燃料组件满足抗震要求

  “华龙一号”核岛厂房采用的是0.3g水平地面加速度作为抗震设计输入标准,充分体现了三代核电技术的先进性。“华龙一号”首堆开工之后,燃料组件等重要设备能否满足0.3g抗震要求便成为急需解决的TOP10问题之一。这一挑战前所未有。就在此之前3年多的时间里,根据中国核电工程有限公司先后提供的5版ACP1000堆型反应堆厂房内部结构标准化设计的楼层反应谱,以及燃料组件导向管应力及格架撞击力计算结果都超过限值要求,经设计人员多次、反复分析计算,均无法通过。但是为保证工程整体进度,核动力院承担力学分析工作的设计人员抱着“咬定青山不放松”的工作干劲,积极在最短的时间内找到解决办法。

  通过专项小组积极与核电工程公司沟通协调,探讨合理降低保守性的各种可行方案,自编多个接口和后处理程序以提高计算效率,经过数百次反复试算分析后终于完成了计算,计算结果满足规范的限值要求。在此基础上,设计人员又从未来安全审评的角度主动根据SRP3.7.1(美国标准审查大纲3.7.1)中对于谱转加速度时程的要求,积极开展了进一步的补充计算工作,终于在2016年6月完成了全部的校核计算工作,给“华龙一号”燃料组件抗震分析工作交上一份完美的答卷。

  创新方法

  ——优化辐照环境

  优化反应堆厂房内辐照环境,提升运行条件下反应堆厂房内工作人员工作时间,是“华龙一号”重要的技术改进方向。降低+16.5m操作平台的辐射水平限值和屏蔽改进,便是上述改进的具体体现。+16.5m操作平台由于与相关设备干涉大,留给屏蔽布置空间小,并且因增设堆腔冷却水注入系统而导致辐射泄漏间隙扩大,使问题的解决尤为困难。早在2015年获知工程总包方提出了更为严格的设计要求后,核动力院设计人员迅速行动起来——独立开发了计算评价方法,首次将离散纵标—蒙特卡罗耦合计算方法用于操作平台剂量分析,在获取现有反应堆厂房辐射剂量率测量情况的基础上开展了一系列计算校核工作,并证明了评价方法的合理性,打消了外界质疑。在设计过程中与核电工程公司设计人员多次协调沟通,从基本的土建和设备设计参数入手,逐步清理可能采取的屏蔽结构,进行不同屏蔽材料的比选,分析评价上百个设计方案的屏蔽分析结果和辐射泄漏路径,并从中筛选了十余个方案进行多专业影响联合评价。2016年1月28日凌晨,在经过足足16个小时的马拉松式的会议后,终于确定了各方认可的辐射剂量超标问题可行性屏蔽设计初步解决方案,并最终将解决方案具体措施落在了反应堆压力容器金属保温层上。

  新的辐射屏蔽要求,首先要做到保证金属保温层承担原有保温及冷却水流道功能基础要求,又要在此基础上增添中子辐射屏蔽功能。全新的设计,紧迫的时间,为了尽快确定最终方案,设计人员制定了“以问题为导向查找并解决问题”的工作方法,在紧绷神经、夜以继日的全力攻关下,短时间内便彻底理清出了屏蔽保温层结构设计目前所面临的技术问题,并基于此提出了全新的解决方案。为将方案真正尽快“落地”,设计人员还第一时间将自己的方案设计反馈给了国外保温层供货商,并就技术问题与对方进行了讨论分析。2016年3月,在设计人员的共同努力下,反应堆压力容器屏蔽保温结构设计最终如期完成了定型。

  全面提速

  ——华龙之“肺”渐养成

  作为核电厂一、二回路的枢纽,蒸汽发生器犹如核电之“肺”。而作为核电厂最为关键设备之一的蒸汽发生器的自主研发,成为了“华龙一号”落地之后最为紧迫的任务,以解决“华龙一号”三代核电技术出口的瓶颈。在首堆开工短短一年时间内,拥有完整知识产权的百万千瓦级ZH-65型蒸汽发生器的设计研发工作在设计研究、验证试验、关键材料研制、软件研发等4个大的领域全面提速。

  2015年6月15日,李克强总理在北京与“华龙一号”ZH-65型蒸汽发生器的制造现场进行了连线,给予了设计人员及制造者极大鼓舞。

  2015年10月,蒸汽发生器流致振动试验完成。这是国内首次针对蒸汽发生器进行的管束流致振动大型水力试验,验证了ZH-65型蒸发器有着优良的抗流致振动特性。

  2015年12月,蒸汽发生器热态综合性能试验完成。这是亚洲最大的蒸汽发生器专用高温高压热工水力回路试验,标志着ZH-65型蒸发器设计验证试验工作已全面顺利完成,也标志着核动力院全面掌握了三代核电蒸汽发生器研发及实验技术,具备了完整的核蒸汽供应系统(NSSS)研发能力,对实现“华龙一号”技术出口具有重大意义。

  2016年2月4日,“华龙一号”ZH-65型蒸汽发生器制品评定技术审查会召开,标志着ZH-65型蒸发器相关的材料研制、零部件研发评定工作也已全面顺利完成。

  2016年3月3日,ZH-65型蒸汽发生器在东方电气(广州)重型机器有限公司顺利进入清洁室开始穿管,标志着国内首型具有完全自主知识产权并经过各项设计验证试验综合验证的百万千瓦级蒸汽发生器的制造进入了最关键的阶段。

  在这一年间,为了协助国内制造厂掌握新型蒸汽发生器的制造关键技术,设计人员长期在制造现场蹲守,审查了数以千计的技术文件。蒸汽发生器的制造在如此短的时间内已推进至穿管,这一奇迹般的制造速度就是在成熟的翻版设计中亦属罕见。核动力院自主设计的ZH-65型蒸汽发生器设计之精良以及设计的成熟性由此可见一斑。

  实地研发

  ——设计验证一体化堆顶

  “华龙一号”一体化堆顶结构是三代非能动核电技术的重要创新之一,其结构的研发具有相当的难度,其中,一体化堆顶冷却结构设计和堆顶结构1:1通风试验更是难中之难。为了研制出满足功能要求且具有自主知识产权的一体化堆顶冷却结构,课题组人员对世界主要核电堆型的堆顶冷却结构进行了广泛的调研,并结合“华龙一号”自身的具体情况设计出了具有先进性的一体化堆顶冷却结构方案,在经过大量、反复的设计-验证-重新设计-再次验证后,在较短时间内掌握了冷却结构流场分析方法,完成了冷却结构数值模拟分析,为冷却结构的优化设计提供了重要的参考和指导。

  为验证堆顶冷却结构设计的合理性,开展通风试验必不可少。一体化堆顶结构1:1通风试验在国内乃至全球均属首次。2016年3月进行了堆顶通风试验的初步试验,通过对试验数据的分析研究与理论计算数据的对比,发现仍存在进一步优化的可能。本着精益求精的精神,课题组技术人员与工厂试验人员一起对探测器的布置位置、风管的结构进行了研究,并经常上下于7米多高的试验台架,对风机、探测器等设备进行实地考察。为了不影响工厂的正常运行,堆顶通风试验只能在夜间或周末进行,课题组人员对此毫无怨言,主动放弃休息时间。辛苦付出终于得到了应有的回报——2016年6月,堆顶结构通风试验顺利完成,为一体化堆顶结构的最终方案定型提供了有力的保障。

  全面国产化

  ——专用设备研发供货屡有斩获

  为了“华龙一号”在示范工程项目中更加完美的“亮相”,专用设备的全面国产化是其中不可缺少的重要环节。

  核动力院在多年核电专用设备研发与供货的基础上,加紧了“华龙一号”三代核电专用设备与产品的研制。自2014年11月以来,松脱部件和振动监测系统(KIR系统)、控制棒驱动电源(RAM系统)、主管道和波动管LBB泄漏监测子系统、硼浓度监测系统等一批核电专用设备和产品,相继在福清5、6号机组和巴基斯坦K2、K3机组“华龙一号”示范工程项目中获得订单,不但实现了国产化核电设备与产品在三代核电技术上的应用,还走出了国门,实现了进军海外核电设备市场的夙愿。

  2016年3月,福清5、6号机组和K2、K3机组的硼表探测装置,成功通过了抗震鉴定试验。5月,顺利实现项目开工,确保了“华龙一号”硼表的按期供货。

  2016年4月,“华龙一号”核电机组重要的配套设备之一的主管道和波动管LBB泄漏监测子系统样机,顺利通过抗震试验鉴定,系统研制取得重大进展。同时,设备供货项目顺利通过中国核电工程有限公司、中国中原对外工程有限公司组织的沙盘推演,为消除研制供货中的风险扫清了障碍。

  塑造“中国魂”

  ——自主软件迈向V2.0

  2015年12月17日,针对“华龙一号”量身打造,我国首套自主研发、具有完全自主知识产权、功能完善、理论先进、配套齐全的核电专用设计与分析软件包(NESTOR1.0)在北京正式发布。这一发布让“华龙一号”真正有了“中国魂”。为进一步推动“华龙一号”出海进程,提升软件包自身的成熟度和研发进度,核动力院在2016年又再接再厉、不断进取,持续推进了软件研发与数字化集成研发平台的研制工作,以“华龙一号”ACP系列等反应堆工程为对象,深入开展了NESTOR软件的工程应用工作。当前,NESTOR1.0软件包正逐步地在面向国内外的“华龙一号”为代表的三代核电工程设计中得到深入应用。同时,在NESTOR软件V1.0的基础上完成了一系列更为先进模型的软件研发,在复杂几何组件参数处理等多领域实现了技术突破,获得理论模型更为先进、功能更为强大、界面更加友好的V2.0版本软件10余项。

  此外,NESTOR研发团队进一步确立了完善的数字化研发体系,建成了国内首个专业化的数字化反应堆技术实验室,极大地提升了核电反应堆工程的协同设计水平与效率。

  全面突围

  ——CF燃料组件具备国际竞争力

  核燃料元件是核电站的关键部件。作为满足 “华龙一号”出口所需要的CF系列燃料组件,由核动力院牵头研发,具有完整的自主知识产权,伴随着我国核电自主化的进程实现了全面突围。尤其是“华龙一号”落地一年以来,成绩卓著、引人瞩目,自2014年7月10日4组CF3燃料组件先导组件入堆以来,截至2016年2月,N36特征化组件完成三个循环的辐照考验、CF2燃料组件完成第二个循环辐照考验、CF3燃料辐照考验组件完成第一循环的辐照考验,各项指标满足设计要求,整体性能良好。

  针对CF系列燃料组件应用于“华龙一号”核电站的适用性工作,2016年上半年,设计人员开展了华龙融合的论证工作。相关分析和论证结果表明,CF系列燃料组件从各方面均完全满足“华龙一号”核电站的需求。另外,经过CF3燃料组件产业化技术研究,计划于近期实现20组CF3燃料组件在国内百万千瓦级商用堆上批量应用,达到年产200组CF系列燃料组件的生产能力,且制造成本具有竞争力。(作者系中国核动力研究设计院文杰 范春莉 陈浩)

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