AP1000

　　歷史

　　根據(jù)美國核管理委員會(United States Nuclear Regulatory Commission 簡稱NRC)官方網(wǎng)站信息，2002年3月28日，西屋公司向核管會提交了了AP1000的最終設(shè)計批準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計認證的申請。2004年9月13日獲得了NRC授予的最終設(shè)計批準(zhǔn)（Final Design Approval）。核管會于2005年12月14日投票通過了AP1000標(biāo)準(zhǔn)核電站的最終設(shè)計認證條例（Final design certification rule)，并于2006年1月23日獲得簽署。直至2010年12月1日，西屋向NRC提交了AP1000設(shè)計控制文案（Design control document）的第18次修改。根據(jù)《科學(xué)美國人》（Scientific American）的報道，核管會估計會在2011年9月完成對AP1000的整體設(shè)計認證。按照西屋公司的預(yù)期，2016年美國會開始建造AP1000型核電站，這將會是美國自上世紀(jì)70年代以來首次恢復(fù)核電站的建設(shè)。

　　設(shè)計規(guī)范

　　AP1000為單堆布置兩環(huán)路機組，電功率1250MWe，設(shè)計壽命60年，主要安全系統(tǒng)采用非能動設(shè)計，布置在安全殼內(nèi)，安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層為預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)層為鋼板結(jié)構(gòu)。AP1000主要的設(shè)計特點包括：

　?。?）主回路系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計采用成熟電站設(shè)計

　　AP1000堆芯采用西屋的加長型堆芯設(shè)計，這種堆芯設(shè)計已在比利時的Doel 4號機組、Tihange 3號機組等得到應(yīng)用；燃料組件采用可靠性高的Performance+；采用增大的蒸汽發(fā)生器（D125型），和正在運行的西屋大型蒸汽發(fā)生器相似；穩(wěn)壓器容積有所增大；主泵采用成熟的屏蔽式電動泵；主管道簡化設(shè)計，減少焊縫和支撐；壓力容器與西屋標(biāo)準(zhǔn)的三環(huán)路壓力容器相似，取消了堆芯區(qū)的環(huán)焊縫，堆芯測量儀表布置在上封頭，可在線測量。

　?。?）簡化的非能動設(shè)計提高安全性和經(jīng)濟性

　　AP1000主要安全系統(tǒng)，如余熱排出系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、安全殼冷卻系統(tǒng)等，均采用非能動設(shè)計，系統(tǒng)簡單，不依賴交流電源，無需能動設(shè)備即可長期保持核電站安全，非能動式冷卻顯著提高安全殼的可靠性。安全裕度大。針對嚴重事故的設(shè)計可將損壞的堆芯保持在壓力容器內(nèi)，避免放射性釋放。

　　在AP1000設(shè)計中，運用PRA分析找出設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進，提高安全水平。AP1000考慮內(nèi)部事件的堆芯熔化概率和放射性釋放概率分別為5.1×10-7/堆年和5.9×10-8/堆年，遠小于第二代的1×10-5/堆年和1×10-6/堆年的水平。

　　簡化非能動設(shè)計大幅度減少了安全系統(tǒng)的設(shè)備和部件，與正在運行的電站設(shè)備相比，閥門、泵、安全級管道、電纜、抗震廠房容積分別減少了約50%，35%，80%，70%和45%。同時采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，便于采購、運行、維護，提高經(jīng)濟性。西屋公司以AP600的經(jīng)濟分析為基礎(chǔ)，對AP1000作的經(jīng)濟分析表明，AP1000的發(fā)電成本小于3.6美分/kWh，具備和天然氣發(fā)電競爭的能力。AP1000隔夜價低于1200美元/千瓦（包括業(yè)主費用和廠址費用）。

　?。?）嚴重事故預(yù)防與緩解措施

　　AP1000設(shè)計中考慮了以下幾類嚴重事故：

　　堆芯和混凝土相互反應(yīng)；高壓熔堆；氫氣燃燒和爆炸；蒸汽爆炸；安全殼超壓；安全殼旁路。

　　為防止堆芯熔融物熔穿壓力容器和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)，AP1000采用了將堆芯熔融物保持在壓力容器內(nèi)設(shè)計（IVR）。在發(fā)生堆芯熔化事故后，將水注入到壓力容器外璧和其保溫層之間，可靠地冷卻掉到壓力容器下封頭的堆芯熔融物。在AP600設(shè)計時已進行過IVR的試驗和分析，并通過核管會的審查。對于AP1000，這些試驗和分析結(jié)果仍然適用，但需作一些附加試驗。由于采用了IVR技術(shù)，可以保證壓力容器不被熔穿，從而避免了堆芯熔融物和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)。

　　針對高壓熔堆事故，AP1000主回路設(shè)置了4列可控的自動卸壓系統(tǒng)（ADS），其中3列卸壓管線通向安全殼內(nèi)換料水儲存箱，1列卸壓管線通向安全殼大氣。通過冗余多樣的卸壓措施，能可靠地降低一回路壓力，從而避免發(fā)生高壓熔堆事故。

　　針對氫氣燃燒和爆炸的危險，AP1000在設(shè)計中使氫氣從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)逸出的通道遠離安全殼壁，避免氫氣火焰對安全殼璧的威脅。同時在環(huán)安全殼內(nèi)部布置冗余、多樣的氫點火器和非能動自動催化氫復(fù)合器，消除氫氣，降低氫氣燃燒和爆炸對安全殼的危險。

　　對于蒸汽爆炸事故，由于AP1000設(shè)置冗余多樣的自動卸壓系統(tǒng)，避免了高壓蒸汽爆炸發(fā)生。而在低壓工況下，由于IVR技術(shù)的應(yīng)用，堆芯熔融物沒有和水直接接觸，避免了低壓蒸汽爆炸發(fā)生。

　　對于由于喪失安全殼熱量排出引起的安全殼超壓事故，AP1000非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的兩路取水管線的排水閥在失去電源和控制時處于故障安全位置，同時設(shè)置一路管線從消防水源取水，確保冷卻的可靠性。事故后長期階段僅靠空氣冷卻就足以帶出安全殼內(nèi)的熱量，有效防止安全殼超壓。由于采用了IVR技術(shù)，不會發(fā)生堆芯熔融物和混凝土底板的反應(yīng)，避免了產(chǎn)生非凝結(jié)氣體引起的安全殼超壓事故。

　　針對安全殼旁路事故，AP1000通過改進安全殼隔離系統(tǒng)設(shè)計、減少安全殼外LOCA發(fā)生等措施來減少事故的發(fā)生。

　?。?）儀控系統(tǒng)和主控室設(shè)計

　　AP1000儀控系統(tǒng)采用成熟的數(shù)字化技術(shù)設(shè)計，通過多樣化的安全級、非安全級儀控系統(tǒng)和信息提供、操作避免發(fā)生共模失效。主控室采用布置緊湊的計算機工作站控制技術(shù)，人機接口設(shè)計充分考慮了運行電站的經(jīng)驗反饋。

　　（5）建造中大量采用模塊化建造技術(shù)

　　AP1000在建造中大量采用模塊化建造技術(shù)。模塊建造是電站詳細設(shè)計的一部分，整個電站共分4種模塊類型，其中結(jié)構(gòu)模塊122個，管道模塊154個，機械設(shè)備模塊55個，電氣設(shè)備模塊11個。模塊化建造技術(shù)使建造活動處于容易控制的環(huán)境中，在制作車間即可進行檢查，經(jīng)驗反饋和吸取教訓(xùn)更加容易，保證建造質(zhì)量。平行進行的各個模塊建造大量減少了現(xiàn)場的人員和施工活動。

　　通過與前期工程平行開展的按模塊進行混凝土施工、設(shè)備安裝的建造方法，AP1000的建設(shè)周期大大縮短至60個月，其中從第一罐混凝土到裝料只需36個月。美國西屋電氣公司在中國核電招標(biāo)中成功競標(biāo)，將向中國進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓，建設(shè)4臺核電機組。西屋公司總裁兼首席執(zhí)行官史睿智先生接受新華社記者采訪時表示，西屋的AP1000核電技術(shù)是目前唯一一項通過美國核管理委員會最終設(shè)計批準(zhǔn)的“第三代+”核電技術(shù)，“這是目前全球核電市場中最安全、最先進的商業(yè)核電技術(shù)”。

　　AP1000是一種先進的“非能動型壓水堆核電技術(shù)”。用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶著發(fā)電機一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)送到四面八方。采用這一原理的核電技術(shù)就是壓水堆核電技術(shù)。

　　AP1000最大的特點就是設(shè)計簡練，易于操作，而且充分利用了諸多“非能動的安全體系”，比如重力理論、自然循環(huán)、聚合反應(yīng)等，比傳統(tǒng)的壓水堆安全體系要簡單有效得多。這樣既進一步提高了核電站的安全性，同時也能顯著降低核電機組建設(shè)以及長期運營的成本。

　　西屋公司提供的技術(shù)材料稱，AP1000在建設(shè)過程中，可利用模塊化技術(shù)，多頭并進實施建設(shè)，極大地縮短了核電機組建設(shè)工期。AP1000從開工建設(shè)到加載原料開始發(fā)電，最快只需要36個月，建設(shè)成本方面的節(jié)約優(yōu)勢明顯。西屋預(yù)計，中國的4臺核電機組將于2013年建成發(fā)電。

　　中國在美國、法國、俄羅斯等投標(biāo)方中認真比較后選擇西屋的核電技術(shù)。在美國本土，計劃中將要建設(shè)的18臺核電機組中，已經(jīng)有至少12個確定選擇AP1000技術(shù)為設(shè)計基礎(chǔ)。他說：“西屋非常高興這次中國也選擇了AP1000?，F(xiàn)在能夠進軍中國核電市場對于西屋意義重大，我們致力于和中國核電市場發(fā)展長期、互利的合作關(guān)系。”

　　西屋公司是全球壓水反應(yīng)堆核電技術(shù)的龍頭，早在1957年就開發(fā)出了全球首個壓水反應(yīng)堆。全球超過40%的運營核電機組都是由西屋建造或經(jīng)西屋批準(zhǔn)利用其設(shè)計基礎(chǔ)建造的。

　　AP1000是西屋在AP600技術(shù)的基礎(chǔ)上延展開發(fā)的。AP600以“非能動性”為特點的設(shè)計最早始于1991年，西屋當(dāng)初試圖將核電站技術(shù)從經(jīng)濟效益和安全水平兩方面都提升到一個新高度，保持自己在核電領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。AP600在1998年獲得美國核管會的“最終設(shè)計批準(zhǔn)”，但隨著世界電力市場的不斷變化，核電新的目標(biāo)電價降至每度3美分，AP600已無法滿足這個要求。為此西屋啟動了AP1000的開發(fā)工作，目標(biāo)是更便宜、更安全、更高效的核反應(yīng)堆技術(shù)，以提升其在核電市場的競爭力。

　　由于AP1000脫胎于AP600，因此研發(fā)進程大大加快，通過設(shè)計改進達到增容目的，顯著提高發(fā)電功率，同時又保持了原有系統(tǒng)的安全性和簡潔性。從AP600到AP1000，經(jīng)過了15年的開發(fā)和完善。史睿智特意提到，在多年的開發(fā)工作中，不少中國工程技術(shù)人員也參與其中。

　　AP1000作為當(dāng)今核電市場最具競爭力的技術(shù)，應(yīng)用到中國核電機組建設(shè)中，“對于中美雙方是真正的雙贏合作”。中國將依托先進核電技術(shù)，更好地滿足日益增加的能源需求。而與中國合作，一方面為美國創(chuàng)造大量就業(yè)崗位，同時也為美國的產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)出口提供了良機。

　　西屋電氣的 AP1000 有以下特點：

　　1、世界市場現(xiàn)有的最安全、最先進、經(jīng)過驗證的核電站 (保守概率風(fēng)險評估 (PRA):堆芯損毀概率為可忽略不計的 2.5x10- 7 )；

　　2、唯一得到美國核管會最后設(shè)計批準(zhǔn)（FDA）的新三代+核電站；

　　3、基于標(biāo)準(zhǔn)的西屋壓水反應(yīng)堆 (PWR)技術(shù)，該技術(shù)已實現(xiàn)了超過 2,500 反應(yīng)堆年次的成功的運營 ；

　　4、1100 MWe設(shè)計，對于提供基本發(fā)電負荷容量很理想；

　　5、模塊化設(shè)計，有利于標(biāo)準(zhǔn)化并提高建造質(zhì)量；

　　6、更經(jīng)濟的運營 (更少的混凝土和鋼鐵，更少零部件和系統(tǒng)，意味著更少的安裝、檢測和維護 )；

　　7、 更簡便的運營(配備行業(yè)最先進的儀表和控制系統(tǒng) )；

　　8、 符合美國用戶要求文件（URD）對新一代商用反應(yīng)堆的要求。

　　第3代

　　1、核電站核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注技術(shù)

　　2009年3月31日14時06分，世界上首臺AP1000核電機組三門核電站一號機組核島第一罐混凝土澆注順利完成，4月20日混凝土養(yǎng)護取得成功。這是世界核電站工程建設(shè)中首次成功采用核島筏基大體積混凝土一次性整體澆注的先進技術(shù)，中國成為首個成功掌握此項技術(shù)的國家。核電站核島筏基是核反應(yīng)堆廠房的基礎(chǔ)部分，其大體積混凝土一次性整體澆注，可以實現(xiàn)核電站核島基礎(chǔ)的一次整體成形，具有無接口、防滲好等技術(shù)優(yōu)點，特別適合安全性能要求較高的核電施工。但由于澆注后的養(yǎng)護是難點，一直是施工的一大技術(shù)難題。該項技術(shù)的成功實施，可以有效縮短工期，將為未來第三代核電的批量化建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟價值。

　　2、核島鋼制安全殼底封頭成套制造技術(shù)

　　2009年12月21日15時28分，三門核電站一號機組核島鋼制安全殼底封頭成功實現(xiàn)整體吊裝就位，這一底封頭的鋼材制造、弧形鋼板壓制、現(xiàn)場拼裝焊接、焊接材料生產(chǎn)、整體運輸?shù)跹b等都是由中國企業(yè)自主承擔(dān)完成的。AP1000首次采用在核電站反應(yīng)堆壓力容器外增加鋼制安全殼的新技術(shù)。鋼制安全殼是AP1000核電站反應(yīng)堆廠房的內(nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，是非能動安全系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。AP1000鋼制安全殼底封頭鋼板的典型特征是大尺寸、多曲率、高精度，采用整體模壓一次成型技術(shù)，尚屬世界性難題。中方企業(yè)攻克了一系列世界性的技術(shù)難題和工藝難關(guān)，提升了我國核電裝備制造和相關(guān)材料研制的水平。

　　3、模塊化設(shè)計與制造技術(shù)

　　2009年6月29日，三門核電站一號機組核島最大的結(jié)構(gòu)模塊CA20模塊成功吊裝就位，開啟了中國核電站工程模塊化建造的新時代。CA20模塊的工廠化預(yù)制和現(xiàn)場拼裝、組焊、整體吊裝的順利完成，標(biāo)志著AP1000技術(shù)的模塊化設(shè)計和施工的先進理念已經(jīng)從理論變成了現(xiàn)實。CA20模塊是AP1000的最大一個結(jié)構(gòu)模塊，長20.5米，寬14.2米，高20.7米，近7層樓高，由18個房間構(gòu)成，包括32個墻體子模塊和40個樓板子模塊，結(jié)構(gòu)總重達749噸，加上吊具等起吊總重量達到968噸，相當(dāng)于700多輛小汽車的重量。使用模塊化建造方法，可以實現(xiàn)核電站核島工程建設(shè)中的土建和安裝的交叉施工，能大大縮短核電站的工程建設(shè)周期。通過模塊的工廠化預(yù)制，可有效提高工程建造的質(zhì)量。

　　4、主管道制造關(guān)鍵技術(shù)

　　2010年1月11日，中國AP1000自主化依托項目國產(chǎn)化主管道采購合同在北京簽訂。國核工程公司與中國第二重型機械集團公司(德陽)重型裝備股份公司簽訂了主管道采購合同。核電站主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器的大厚壁承壓管道，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能的“大動脈”，是壓水堆核電站的核一級關(guān)鍵設(shè)備之一。AP1000機組采用了超低碳控氮不銹鋼整體鍛造技術(shù)，材質(zhì)要求高、加工制造難度大，堪稱目前世界核電主管道制造難度之最。AP1000主管道是中國AP1000自主化依托項目中唯一沒有引進國外技術(shù)的核島關(guān)鍵設(shè)備。中國二重集團等國內(nèi)多家企業(yè)通過為時兩年的科研攻關(guān)，自主突破了AP1000主管道制造的技術(shù)難關(guān)，制造的主管道1：1模擬件綜合技術(shù)指標(biāo)已完全符合美國西屋公司的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達到世界一流水平，大幅降低了主管道的采購成本。

　　5、關(guān)鍵設(shè)備大型鍛件制造技術(shù)

　　2009年12月22日，中國一重承擔(dān)的三門核電站2號機組蒸汽發(fā)生器管板鍛件研制取得成功，在先前實現(xiàn)AP1000核島反應(yīng)堆壓力容器鍛件完全國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，再次實現(xiàn)了蒸汽發(fā)生器鍛件的完全國產(chǎn)化，一舉攻克了制約我國核電發(fā)展的重大技術(shù)難關(guān)，大幅提升了中國核電裝備制造的整體水平和技術(shù)能力，打破了國外企業(yè)在高端大型鑄鍛件市場的壟斷。以前中國的大型鑄鍛件企業(yè)因制造能力和技術(shù)上的差距，使國內(nèi)高端大型鑄鍛件市場和技術(shù)被國外巨頭壟斷，尤其是在核電大型鑄鍛件上，國外更是實行技術(shù)封鎖。除大型鍛件外，反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、主管道、鋼制安全殼等核島關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化工作均取得實質(zhì)性進展，確保了中國后續(xù)三代核電批量化、規(guī)模化發(fā)展。

　　世界首臺

　　2012年10月8日，代表核電領(lǐng)域最高水平的世界首臺AP1000三代125萬千瓦等級核電汽輪機最后一套低壓內(nèi)缸在秦皇島重裝基地順利裝船起運，發(fā)往浙江三門核電站。由哈電集團哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的這套設(shè)備，向世界展示了我國電力裝備制造的先進水平，實現(xiàn)了“中國制造”的大跨越。哈電集團秦皇島重裝基地啟運的三門核電1號機三套低壓內(nèi)缸，采用了當(dāng)前世界最先進的總裝方式，首次引進了tccs系統(tǒng)(汽輪機間隙測量控制系統(tǒng)，主要靠激光和靶球的專用工裝對汽輪機轉(zhuǎn)子和靜子汽封之間的徑向間隙進行測量計算)進行汽輪機通流間隙的測量。為了防止人為操作失誤和吊車行車時的振動影響，所有的tccs測量工作都選擇晚上進行;為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每套缸基本上要經(jīng)歷4次tccs測量、解體和裝配以及數(shù)據(jù)反復(fù)核對工作。不僅如此，為了確保首臺ap1000汽輪機的裝配質(zhì)量，在完成 tccs最終測量調(diào)整后，擔(dān)負總裝任務(wù)的汽輪機公司總裝工人們還采用傳統(tǒng)的壓鉛絲方法，重新對汽輪機的通流間隙進行測量，驗證tccs調(diào)整數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，同時也為后序機組全面使用tccs進行了科學(xué)驗證。