中國能源體系的建設——核電篇_風聞

中國能源體系的建設——核電篇

 

 

核電基礎知識

 

 

什麼是核電站

 

火力發電站利用煤和石油發電，水力發電站利用水力發電，而核電站是利用核反應堆中核裂變所釋放出的能量進行發電的電站。

核電站主要分為兩部分：核島和常規島。

在核島內利用核能生產蒸汽，常規島則是利用蒸汽發電的部分。

 

 

全球核電發展史

 

核電技術的發展晚於火電和水電技術。

1951年12月美國實驗增殖堆1號（EBR-1）首次利用核能發電，第一座投入商業化運營的核電站的時間則是1956年。

 

全球核電的高速發展時期是20世紀的70-90年代，以美國為代表的西方發達國家紛紛大規模建設核電站。

從50年代到1970年，全球共建成了81座核電機組；到1990年，全球用於發電的核電機組的數量增加到了419座。

1990年至2022年，全球核電機組的數量僅有少量增長，基本維持在400多座的水平。

在1990年後全球核電機組沒有再出現顯著的增長。

 

美國、法國、日本、英國和俄羅斯是全球主要的核電大國。

2009年全球在運行的核電機組共有438座，總裝機容量達3.7億千瓦。其中，美國有104 座，總裝機容量約1億千瓦，法國有運行機組59座，總裝機容量6326萬千瓦，日本有運行機組55座(截至福島核電事故之前)，總裝機容量4759萬千瓦。

2022年，全球核電的總裝機容量是3.93億千瓦，相比2009年僅增加了0.2億千瓦。

 

2021年全球核電發電量為2.8萬億千瓦時，在全球總發電量中的佔比為10%左右。

在所有國家中，法國的核電佔比最高，2021年核電佔法國總發電量的比例達到70%左右。

 

核電的發展並非一帆風順，歷史上核電站事故的發生多次引發了公眾對核電安全的擔憂，並一度使得全球核電發展陷入停滯。

著名的美國三里島核電站事故、切爾諾貝利核電站事故、福島核電站事故是典型代表，都對全球核電產業的發展造成了負面影響。

2011年福島核電站事故的發生，極大延緩了全球核電站的建設，並使得部分國家如德國等決定放棄核電。

 

 

中國核電的發展過程

 

 

中國核電的發展比西方發達國家要晚很多。

中國建設的第一座核電站是秦山核電站，一直到90年代初才併網發電。

 

早在20世紀50年代，當核電作為“新生事物”誕生時，我國第一代領導人就敏鋭地意識到和平利用核能的重要性，指示相關科技人員要學習、研究並掌握。

20世紀70 年代初，我國核電技術的研發工作正式起步，即著名的“728工程”：1970年2月8日，針對當時全國普遍缺電的狀況，上海按照中央領導指示精神，開始研究部署核電站建設工作，“728工程”由此起步。

1982年12月，在五屆全國人大五次會議上，中國鄭重宣佈在浙江海鹽建設秦山核電站的決定，中國核電事業的發展速度加快了。

1985年3月，秦山核電站澆築了第一罐混凝土。

1991年，被譽為“國之光榮”的中國大陸第一座核電站——秦山核電站成功併網發電，中國核電自此實現“零的突破”。

秦山核電站一期是我國自主設計、建造的30萬千瓦壓水堆核電機組。

 

如果説秦山一期核電站是“從無到有”，那麼1986年開工建設的秦山二期核電站便是“從小到大”。

秦山二期1號機組裝機容量為65萬千瓦，約為秦山一期的2倍，同樣是中國自主設計、自主建造、自主運營。

秦山核電站二期工程參考了大亞灣核電站引進的技術，以自主設計為主，同時引進部分設計。主要核電設備部分國內製造，部分進口，主要目的是為了學習西方的先進技術。

秦山二期1號機組於2002年成功併網發電。

 

國家從核電發展總體戰略的角度，一直採取國內自主研發和引進國外先進核電技術並行建設的兩條腿走路的方針。

大亞灣核電站和秦山核電站是在同一時期建設的，大亞灣核電站的設備完全是進口，且總體設計也是國外企業負責。

大亞灣核電站的建設，表明中國政府對待核電技術的客觀和全面，既堅持獨立自主建設秦山核電站，同時也並不拒絕學習西方先進的核電技術。在國家投資能力有限的條件下，保證了核電技術自主研發和引進同時進行。

在三代核電的發展中，我們將看到這個策略結出的豐碩成果。

 

秦山核電站三期工程也是引進技術，但採用了與秦山一期二期和大亞灣核電站壓水堆技術完全不同的重水堆技術，設備完全是國外供應。

秦山核電站三期工程的價值也在於提供了不同技術路線的參考價值。

 

嶺澳核電站的土建設計由國內完全，設備供應全部由國外供應，僅少部分設備由國外企業分包給國內企業製造。

嶺澳核電站仍然是中國核電技術引進的延續。

 

依託秦山核電站一期（“728”工程），中國的核電裝備製造業掌握了30萬千瓦等級核電站的全部設計和設備製造能力，併成功向巴基斯坦出口了成套設備。

依託秦山核電站二期工程，國產化的核電設備從30萬千瓦等級跨上了60萬千瓦等級。

依託嶺澳核電站一期工程，我國企業完成了首台國產100萬千瓦等級核島主設備的研製。

 

中國的核電技術正是這樣踏踏實實，一步一個腳印走過來的。雖然我們與國外先進技術仍然有差距，在當時仍然需要從國外引進技術，但是我們自己的技術能力在引進的過程中得到了培育，自主技術能力也得到了不斷的鍛鍊和提升。

 

在2004年前，中國僅僅建設了三座核電站，分別是：秦山核電站、大亞灣核電站和嶺澳核電站。

2004年後，中國一方面開始談判引進西屋公司的三代核電技術，另一方面繼續採用二代核電技術建設了田灣核電站、紅沿河核電站、福清核電站等數座核電站。

中國核電建設發展進入快車道是在2013年後，利用三代核電技術建設更加安全的核電站。

 

 

中國三代核電技術的引進

 

 

三代核電技術相對於二代核電技術，主要區別在於保障核電站安全的系統在設計方面有本質的區別。

三代核電技術開發和設計了“非能動”安全系統以保障核電站的安全運營。這套系統不依賴外部或自備的交流電，而是利用重力、蒸發、冷凝、對流等自然動力，設計出一整套“非能動”安全系統，包括非能動堆芯冷卻系統、非能動熔融物滯留於安全殼內系統、非能動安全殼冷卻系統等，主要利用高位水箱的勢能推動冷卻劑循環，並利用爆破閥代替電動閥門，在事故情況下打開閥門，從而大幅度減少了核級閥門、泵和電纜數量，並大大減少了核級抗震建築物面積。

 

2004年9月份，中國進行了第三代核電技術依託項目招標。

當時，全球已完成開發的三代核電技術僅有美國的AP1000、法國的EPR和俄羅斯的核電技術。

美國西屋公司雖然開發了三代核電技術，但美國當時電力需求不足，所以並沒有開始建設三代核電站，但AP1000的技術方案已經通過美國核安全部門的嚴格審核。

法國EPR沒有經過當地核安全部門審核，而俄羅斯的三代核電相對準備不足，個別方面還沒達到三代標準。

 

三代技術引進的背景

 

2002年黨的十六大召開後，國家核電政策發生了重大變化。

在此之前，中國政府的政策是適度發展核電，但這個度是多少不明確，也沒有具體核電發展規劃，所以1998年後的五年內，政府未核准新的核電項目。

2003年新一屆政府決定將“適度發展核電”調整為“積極發展核電”，決定啓動一批新的核電項目，並引進世界先進核電技術。2005 年3月，經過長期的調查論證和民主討論，國務院原則上通過了由國家發改委主持起草的《核電中長期發展規劃(2005-2020 年)》，標誌着中國核電開始由適度發展戰略向積極發展戰略邁進。

2007年10月，國務院正式批准《核電中長期發展規劃(2005一2020年)》(簡稱《中長期規劃》)。《中長期規劃》提出，貫徹“積極推進核電建設”的電力發展基本方針，提出到 2020 年，核電運行裝機容量爭取達到4000 千瓦，核電年發電量達到 2600億~ 2800億千瓦時。

《中長期規劃》的發佈，標誌着我國核電正式進入高速發展階段。

 

黨中央決定新建核電站一定要採用當時世界上最先進、最安全的核電技術，如果國內短期開發不出這樣的技術，那就採取國際招標，引進國外最先進和最安全的核電技術，走消化、吸收、再創新的自主化道路。

這就是三代核電技術招標的背景。

根據國內核電專家的投票，最終選擇了美國西屋公司的AP1000作為我國三代核電技術的引進對象，並組建了國家核電技術公司負責將招標的核電技術落實，把依託招標技術的核電站工程建設起來，並對引進的技術進行消化、吸收和再創新。

 

引進AP1000的談判

 

在與西屋電氣的談判中，關於中方再創新的知識產權問題，雙方爭議比較激烈。

為了給再創新留有餘地，我方堅持在合同中寫明中方在AP1000基礎上作出重大改進和再開發的堆型，擁有自主知識產權(西屋是壓水堆技術的鼻祖，法國、德國、日本等壓水堆技術都是從西屋公司引進的)。

在2006年初商務談判之前，我們邀請了“AP1000之父”Brushes等來華，與我方的幾位兩院院士座談,西屋公司領導也參加了會談。會談中，我方專家指出，AP1000功率比EPR小40%，在首堆建設過程中還會發生一些設計調整，中國各區域電網容量很大，中方準備在AP1000技術基礎上，通過再開發和建設一系列試驗枱架進行驗證，開發出更大容量(如140萬千瓦和170萬千瓦)的非能動壓水堆,並擁有自主知識產權。

 

西屋公司對這項條款態度出現反覆，最終提出折中方案，即如中方自己開發的非能動大型壓水堆功率超過135萬千瓦，則中方擁有自主知識產權，可以對第三國出口，但對美國和日本出口，須與西屋公司合作出口。

我方研究同意了此方案，中方取得了自主創新的大型非能動壓水堆核電站的自主知識產權。

後來，國務院常務會議確定在中長期科技發展規劃中列入“大型先進壓水堆核電站”作為重大專項，即CAP1400核電項目。

 

其次是合作方式。

中方堅持建設4台AP1000機組的依託項目，不採用交鑰匙方式，中方要廣泛參與設計、設備製造、建造和調試。

最終達成協議，土建安裝由中方負責，為吸收模塊化施工經驗，中方同意聘請一批美方專家，組建JPMO(聯合項目管理機構)。在設備供應方面，中方只採購兩套主設備(壓力容器、蒸汽發生器等)，其餘兩套都由中方按美方轉讓的技術在中國製造，美方提供技術支持。所有輔助設備按美方提出的技術要求由中方製造和採購。設計工作，由中方派出技術人員參加。

這項條款為三代核電技術AP1000的國產化和自主開發AP1400提供了有利的條件。

中國不僅要消化AP1000技術實現核電設計的自主化和設備的國產化，還要在AP1000的基礎上開發出中國自主品牌的CAP1400、CAP1700大型壓水堆。

 

2007年7月，國家核電技術公司與美國西屋技術許可公司等6家國外技術轉讓方簽訂了一攬子五項技術轉讓合同，代表國家統一受讓AP1000核電技術。

2009年12月，AP1000技術的兩個依託項目一浙江三門核電站和山東海陽核電站各2台機組相繼開工，AP1000三代核電技術正式進入實施階段。

 

國家核電技術公司將發揮“主體、載體和平台”的作用，可按照國務院確定的“公平、有償共享”的原則，向國內核電及相關產業的科研設計、設備製造、工程建設及運行服務單位有序推進技術分許可工作，以培育完整、配套的三代核電產業體系。

中方對引進 AP1000 技術提出了“三個百分之百”的要求，即百分之百滿足首批4台核電機組工程建設需要;百分之百保證AP1000 技術的完整轉讓;百分之百實現AP1000 關鍵設備的國產化。

總的來説，經過與西屋公司的艱苦談判，基本達到了我們預定的目標。

 

 

中國三代核電技術的自主發展——國和一號和華龍一號

 

 

國和一號

 

通過核電重大專項及引進技術AP1000依託項目的實施，我國形成了國產化CAP1000的設計建造能力，並在此技術上開發出功率更大、具有自主知識產權的CAP1400，即“國和一號”。

 “C”是中國英文單詞的首字母，“A”、“P”分別代表先進（Advanced）和非能動（Passive），意指中國自主設計的、裝機容量達140萬千瓦級以上的先進非能動核電技術。

 

“國和一號”是中國在引進、消化吸收第三代先進核電AP1000非能動技術的基礎上，通過再創新形成的具有完全自主知識產權的第三代核電型號。

“國和一號”的研發工作歷經了12年。2008年2月，國務院第209次常務會議上通過重大專項總體實施方案，將CAP1400的研發和示範工程建設列為國家科技重大專項的重點任務。“國和一號”的研發工作自此正式啓動。

2014年1月，該技術初步設計通過國家能源局評審；2016年2月，通過國內聯合安全審評；2016年4月，通過國際原子能機構通用安全審評，獲得國際認可；2020年9月正式對外發布。

 

作為全球最大的非能動壓水堆核電站，“國和一號”單機組輸出功率約1500兆瓦，年發電量可以滿足超過2200萬居民的年用電需求。 “國和一號”示範工程一期兩台機組的建在山東省威海市榮成石島灣核電站。

 

“國和一號”由國家電投上海核工院牽頭研發設計，涉及700餘家單位、3.1萬餘名技術人員，集我國三代核電技術和產業創新之大成。

在整個“國和一號”研發過程中，主泵、爆破閥、壓力容器、蒸汽發生器、堆內構件、控制棒驅動機構、大鍛件、核級焊材、690U型管等核電關鍵設備、關鍵材料全部實現自主化設計和國產化製造。國家電投上海核工院對每項關鍵設備材料培育2-5家國產化供應商，以確保項目風險可控、價格合理、具有競爭力。從“肺”，到“心臟”主泵，再到堆芯的燃料組件、大鍛件、690U型管，在十餘年的研發攻關後，“國和一號”當前整體國產化能力已達90%以上。

 

華龍一號

華龍一號的技術來源有兩個：中國核工業集團的ACP1000和中廣核的ACPR1000+。

 

中核集團在建設秦山核電站一期工程時自主設計開發了CNP300（30萬千瓦核電機組），在建設秦山二期工程時設計了CNP600（60萬千瓦核電機組）。在此基礎上，中核集團開發了國產百萬千瓦級壓水堆CNP1000。

在三代核電技術的發展過程中，中核集團繼續開發了ACP1000.

 

CRP1000堆型是中國廣核集團推出的中國改進型百萬千瓦級壓水堆核電技術方案。

它是在引進、消化、吸收大亞灣核電站M310核電機組技術的基礎上，結合20多年來的漸進式改進和自主創新形成的二代加百萬千瓦級壓水堆核電技術。

CPR1000保持M310堆芯不變，但根據運行經驗反饋和法國同類機組批量改造計劃，進行了多項技術改進，其中重大改進有15項。

 

在CPR1000的基礎上，中廣核結合“非能動”的安全理念進一步開發了ACPR1000+。

2012年11月22日，中國核能行業協會在深圳組織召開了中廣核集團ACPR1000+技術方案評審會，中國核能行業協會副理事長趙成昆主持評審會。經過評審，專家組對ACPR1000+型號研發工作表示肯定，認為ACPR1000+技術方案是中廣核集團在二十多年引進、消化、吸收國際壓水堆核電技術（M310）的基礎上實現自主創新的重要成果，總體水平達到了三代核電技術水平，可以作為我國後續核電發展的技術選擇之一，為我國核電“走出去”戰略提供了有效技術支撐。

 

中廣核在2012年完成了ACPR1000+技術的研發，而中核集團則在2013年完成了ACP1000技術的研發，兩家的技術都滿足第三代核電標準的要求，且擁有自主知識產權。中核集團和中廣核都希望得到國家能源局的批准用自己開發的技術在國內建設示範項目，但都未能獲得批准。

 

2013年國家能源局局長吳新雄提出了將中核ACP1000和中廣核ACPR1000+技術進行融合的設想。國家能源局希望藉此次融合促進我國三代自主核電技術的標準化生產，結束混亂的核電局面，在資源上減少浪費。

2014年8月22日，“華龍一號”總體技術方案通過國家能源局和國家核安全局聯合組織的專家評審。專家組一致認為，“華龍一號”成熟性、安全性和經濟性滿足三代核電技術要求，設計技術、設備製造和運行維護技術等領域的核心技術具有自主知識產權。

 

2023年5月5日，我國自主三代核電技術華龍一號全球首堆示範工程——福清核電5、6號機組正式通過竣工驗收。

華龍一號全球首堆示範工程全面建成，標誌着我國核電技術水平和綜合實力躋身世界第一方陣，為我國形成了一套完整的、自主的三代核電型號標準體系，大幅提升了中國核電的全球競爭力，對優化我國能源結構、推動綠色低碳發展具有重要作用，也為華龍一號後續批量化建設項目提供良好借鑑。

 

“華龍一號”的誕生遠遠超出了國家2003年的規劃設想。

原本國家規劃的三代核電技術是從西屋公司引進的AP1000以及後續開發的AP1400，併為此進行了大量的工作。

現在不僅AP1000和AP1400達到了當初技術引進和自主開發的目標，中核集團和中廣核集團為開發了完全具有自主知識產權的“華龍一號”三代核電技術，這是驚喜！

 

“華龍一號”三代核電技術的開發成功，是中國工業能力全面提升的結果和表現。

中國的市場規模足夠大，有能力支持多個技術路線的開發；中國的技術人才和技術基礎也足夠的深厚，有能力支持多個技術路線的開發！

 

 

核電在中國能源體系中的作用

 

2020年，中國的核電裝機容量是4986萬千瓦，佔全國電力總裝機容量的2.3%。

2020年，中國的核電發電量是3663億千瓦時，佔全國總發電量的4.9%，佔全球核電總發電量的13.6%。

 

2020年，中國的核電發電量已經超過了法國，僅次於美國，是全球第二大核電國。

中國的核電仍然在快速發展過程中，預計在未來將遠遠超過法國、日本等原來的核電大國，但是與美國仍有較大的差距。2020年美國的核電發電量為8315億千瓦時，是中國核電發電量的兩倍多。

 

中國核電相對於美國和法國的一個主要優勢是在安全性上。

中國在運營的核電機組大部分是三代技術，新建的機組全部是三代機組，而美法兩國的核電機組主要是二代機組。

 

中國核電的裝機容量和發電量在中國電力工業中的佔比相對較小，甚至已經逐步被風電和光伏發電超過。

但是核電是中國電力工業的重要組成部分，是中國能源體系多樣化的技術路線之一，是保障中國能源供應安全的重要技術路線。

 

中國核工業的廣大工作人員通過努力實現了中國核電技術的領先，為中國能源供應的安全做出了自己的貢獻！