而這僅僅是核電領域數(shù)字化設計的一部分。

“數(shù)字化改進使秦山核電站的技術水平提升不少，也為其延長20年使用壽命提供了科學依據(jù)。”上海核工院人因工程帶頭人宋霏說。

自1991年12月底秦山一期核電站并網(wǎng)發(fā)電至今已經28年。其間，“創(chuàng)新”成為三代核電建設關鍵詞，一批重大自主研發(fā)、帶動加工制造的精密設計不斷涌現(xiàn)，裝備制造業(yè)能力跨越式提升。

根據(jù)《中國核能發(fā)展報告2019》，核電在中國發(fā)電量中的占比將從2018年的4.22%上升到2035年的10%左右;由于具有穩(wěn)定且不波動的重要優(yōu)勢，核能發(fā)電仍將在未來30年間彌補能源市場空缺。高質量下的核電事業(yè)才剛剛起步。

自主研發(fā)是命脈

此前，我國核電產業(yè)一直受制于人，設計自主化、材料國產化，以及關鍵設備配套方面都是核電產業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。2008年，“大型先進壓水堆核電站”啟動，推動我國核電產業(yè)鏈從二代跨越到三代。

一批批工程技術人員、科研人員通過引進消化吸收先進技術，通過大量試驗、多輪驗證，逐步建立先進核電自主研發(fā)設計體系、試驗驗證體系、標準體系以及裝備供應鏈體系，690U型管、主泵、爆破閥這些以往受制于人的材料和設備都突破了國外壟斷與技術壁壘。

“我國三代核電核能產業(yè)鏈基本完成。” 國和一號總設計師、上海核工院院長鄭明光表示，“其中關鍵設備材料基本實現(xiàn)了自主化的設計和國產化制造，設備國產化率已超過85%，每個主設備都對應了2~5家具備能力的制造商。”

核能核電建設極為復雜。作為前端，國家電投旗下的上海核工院不僅要負責各類堆型的研發(fā)、設計與驗證工作，還要為制造、建造環(huán)節(jié)提供技術支撐。這其中，反應堆的安全性、經濟性和環(huán)境相容性是衡量核電水平的關鍵。

以國家科技重大專項國和一號(CAP1400)為例，該核電機組是在引進、消化、吸收AP1000世界先進三代核電技術基礎上，結合日本福島事故經驗反饋，再創(chuàng)新形成的具有完全自主知識產權的核電技術，“CAP1400的安全性、經濟性和環(huán)境相容性達到了世界領先水平。”鄭明光說。

首先是安全性。上海核工院總體技術部主任助理程書劍表示，堆芯損傷、大規(guī)模釋放是核反應堆機組兩項重要安全問題。一方面，上海核工院將國和一號鋼制安全殼厚度進一步加厚、直徑從原來的39.6米擴大到43米;另一方面，具有獨創(chuàng)性的COSINE核電安全設計軟件系統(tǒng)，先進的基于FPGA技術的NUPAC和NUCON數(shù)字化保護及控制系統(tǒng)平臺也是有力基礎。

一系列從內至外的創(chuàng)新設計下，核電機組的抗震、防飛機撞擊能力大幅提升，事故發(fā)生率也降低在10的負6次冪以內。

其次是經濟性。鄭明光說，除了該機組下的非能動技術可減少占用一定物理空間之外，其高度自動化的設計理念還能降低一定的人力成本。

同時，國和一號(CAP1400)通過將反應堆低壓損設計，使流量增加21%，效率提升至1500MWe左右。

“每個大項關鍵試驗里面都有很多子項的研究內容，主要是把可能對設計、安全有影響的因素全部摸索或挖掘出來。”參與項目的工作人員說，“比如，有個非常小的泠凝試驗，我們僅跟聯(lián)合單位正式的來往函件就接近70份;綜合性能試驗《試驗大綱》，從聯(lián)合單位提交的征求意見稿80頁，來回修訂4次，到最終的140頁。”

創(chuàng)新還體現(xiàn)在一些數(shù)字化設計的場景中。工作人員說，由于人的操作失誤導致的問題占70%，而核工程設計極為復雜且有上千接口。因而，從設計端開始，到驗證、制造、建造、運維等各環(huán)節(jié)引入數(shù)字化運維的理念至關重要。

以數(shù)字化作為基底、電廠實景為依托的全息監(jiān)測系統(tǒng)也已在核電廠投入使用。“一旦有安全問題發(fā)生，系統(tǒng)可以立刻通過人的位置計算出核電廠內的最優(yōu)逃生路線。”宋霏說。

截止到6月底，我國在運核電機組達到47臺，裝機容量近4800萬千瓦，排名世界第三。其中，國家電投控股運行核電機組6臺，裝機容量698千瓦。

“重大專項大型先進壓水堆核電站是國家中長期發(fā)展規(guī)劃里確定的科技發(fā)展和經濟發(fā)展重大項目，它的目標是通過這個項目建設一個中長期的核電站，在國民經濟和科技發(fā)展上有重大意義。”被譽為中國核電之父的歐陽予院士說。

創(chuàng)新賦能制造端

如果說自主、創(chuàng)新的研發(fā)設計體系是核電建設的先行基礎;那么，實現(xiàn)關鍵設備的國產化制造同樣考驗實力。

第一財經記者在走訪上海電氣臨港基地時了解到，該基地承擔了核電站關鍵主設備的制造，包括核島的堆內構件、控制棒驅動機構、蒸汽發(fā)生器、壓力容器、穩(wěn)壓器、核主泵及常規(guī)島的汽輪機、發(fā)電機等，僅上海第一機床廠有限公司就承擔了全國95%以上堆內構件及控制棒驅動機構的制造。

“核電領域內對產品的制造要求要遠遠高于其他產業(yè)。”上海電氣核電設備有限公司制造部單杰告訴第一財經記者，“核電設備要求要具備足夠的安全性和穩(wěn)定性，所有設備均需通過嚴格的檢測及試驗才能交付。”

在這個精工車間長約20米、寬約8米的機床上，一臺蒸汽發(fā)生器正在進行管板打孔。單杰介紹，管板上打孔數(shù)量為1.2萬余個，每打一個孔的時間在10分鐘左右。

而一旁被稱為世界最大的CAP1400蒸汽發(fā)生器，需在管板上打孔2.5萬個，重量超過800噸。設備制造完成后會通過專用駁車裝運至附近碼頭，并通過船運交付至國內各個業(yè)主方。

除了大型設備，一些中小型部件的制造也深有講究。記者在承擔堆內構件生產的上海第一機床廠有限公司車間內注意到，某堆芯圍筒組件的環(huán)板并未采用以往的人工焊接形式，而是改用了激光焊接技術。

“這一激光焊接技術由我們首創(chuàng)研發(fā)。”該車間工作人員說，“這樣的焊接方法能將8塊W形板、C形板一次焊透成型，且可將變形量控制在最小程度，并將焊縫控制在16mm的精準熔深。”

隨著水聲望向另一端，是均流板在進行加工，其在堆內的作用是均勻分布冷卻劑。“這是加工耗時最長的部件了，以員工三班倒來計，也要12個月左右完成。”該工作人員說。

臨港基地是我國核電自主建造實力的一個縮影。從圖紙到部件，我國全面掌握了屏蔽電機主泵等29項關鍵設備技術，成功研制出超大型鍛件等40余項關鍵材料，也帶動了一批為核電配套的裝備和零部件生產企業(yè)。

上海電氣核電集團黨委書記何延慶表示，“未來3～5年，我們要完全具備三代核電主設備成套供貨的能力，并突破核電廠運維(運營與維護)服務國內外市場，積極拓展新產業(yè)與新業(yè)務。”