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央企如何推进核电产业链自立自强?

来源:央视财经  撰稿人:  发布时间:2023年03月15日 浏览:
摘要:

近年来,我国核电领域关键核心技术不断突破,现代产业链建设取得重要成效。其中,具有代表性的是“国和一号”先进压水核反应堆。

  近年来,我国核电领域关键核心技术不断突破,现代产业链建设取得重要成效。其中,具有代表性的是“国和一号”先进压水核反应堆。

  “国和一号”是依托国家科技重大专项,完全由我国自主设计的大型先进核电型号。它由国家电投上海核工程研究设计院牵头研发设计,历时十多年科研攻关,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。

  2021年6月,国家电投全面启动了“国和一号”产业链“固链、强链、补链、塑链”工作,以“国和一号”为驱动,团结、引领相关合作企业集智攻关,推动建立我国完整的、先进的、经济的、自主可控的核电产业链。2022年2月,由国家电力投资集团有限公司组建的“国和一号”产业链联盟在上海成立,并提出在2023年全面实现100%设备国产化的能力。

为什么“国和一号”

能够集合国内一众“专精特新”企业?

“国和一号”产业链联盟

对核电产业链自立自强

起到了怎样的带动作用?

  01三代核电产业链体系意义重大

  郑明光:党中央、国务院在本世纪初开始部署国家中长期发展的重大科技专项,核电专项也是其中之一,来解决核电批量化建设的能力问题、安全性问题,和整个产业链体系的稳定问题;通过依托项目和重大专项的开发,建成我国先进三代核电的产业链体系,使后续发展具有可支撑性、可持续性。

  我们在引进消化吸收先进技术基础上,通过持续研究开发,完成了具有自主知识产权的先进三代核电CAP1400,即“国和一号”机型。

  “国和一号”单台机组年发电量可达125亿度,每年可减少煤炭标准煤消耗400万吨,每年减少二氧化碳排放近千万吨。

  在发电的同时,“国和一号”也具备供热能力,首堆将提供450万平方米的供热,未来将具有4000万平方米的供热能力,兼具社会效益、经济效益。

  相比二代堆型来说,“国和一号”安全性高400倍,即便反应堆烧毁,也不可能发生大规模放射性物质释放,可以取消场外应急,从本质上保证了环境的安全。

  任何的先进型号都需要有设备的支撑,对设备的安全性、可靠性、可利用率要求更高,寿命要求更长。原本的设备很难满足先进型号的要求,所以需要持续的技术迭代,通过技术来牵引产业、装备、材料的发展。

  设计技术的需求牵引,对于制造企业非常关键。700多家制造企业、3万多科技工作者参与了“国和一号”研制。重大专项对于科研人员技术交流切磋、提升各自能力,具有重要意义。

  国家电投上海核工程研究设计院是总体技术单位,作为骨干企业参与的还有——中国一重,大型锻件;中国二重,主管道;东方电气,汽轮发电机;哈电集团,汽轮发电机以及蒸汽发生器、反应堆等;中核集团,阀门厂、燃料以及相关配套系统;中国宝武,钢安全壳钢板、蒸汽发生器的大型支撑板;中国船舶,爆破阀以及阀门、主管道等相关设施;航空工业,接插件、贯穿件。中国电子、中广核也参与了试验研究。一些地方企业,比如江苏的民营企业上上电缆,成功解决了电缆考核问题;上海电气,研制、设备制造,在整个重大专项里面可能是最多的。

  作为国内最早担负核电站设备建造任务的企业,上海电气核电集团有限公司是“国和一号”核岛主设备的主要制造单位,在核电产业链上的位置举足轻重,可以说是一路跟随我国核电建设成长起来的。

  严苛的要求,超规的尺寸,特殊的用途,极少的用量,让许多产品的研发投入与收益不成正比。以蒸汽发生器中的支撑板为例,由于材质和规格特殊,过去在核电建设中,这一部件曾长期需要进口。

  面对国外供应商的回绝,上海电气毅然自己扛起了“国和一号”装备制造的重任。他们联合产业链上游的宝武钢铁集团,从原材料开始自己研发,协同攻关。

  据上海电气不完全统计,多年的积累,让企业拥有了多达400余项关键技术,制造能力获得大幅提升。

  02新型举国体制推动三代核电技术跨越

  郑明光:重大专项是体系性的建设,是装备产业链完整性的建设,使我国装备制造能力实现了从二代向三代的跨越。举国机制、国家平台,实现了高端产业链、供应链体系的大集成、大联合、大配套、大对接。

  从反应堆到大量主设备如蒸汽发生器主管道,从大设备到锻件材料,从蒸汽发生器到U形管、管道焊接材料,从燃料包壳到锆合金,从电缆到探测器、防火材料、双向不锈钢材料等等,涉及约70个行业学科,每个机组有65000到70000件设备。12家大企业集团参加,每个型号的合格供应商有400多家。一个核电产业链体系,需要完整的配套、供应,其实把一个国家材料和设备的整个基础工业体系全都带动了起来。

  民营企业在过程中发挥了非常好的作用。我国民营企业经过20多年的奋斗,管理、技术能力、研发投入都有很大的进步。浙江久立是生产U形管的,浙江伦特是研制堆内探测器的,陕西特橡是研究密封材料的,天生是研制密封圈的,大连大高生产阀门,包括江苏神通等等,这些企业在关键材料、关键设备的部件上,对产业链形成了强大的支撑。一个大企业去做某个小设备,也许在经济性上并不合算,但是一些小企业来做精、特、尖,特别是可持续性上,可能会有比较好的作用。

  民营企业具有非常专注的精神。像宝银,投了非常多的钱开发U形管。高性能的690合金管,用的钢材由几十种元素组成,最长一根管子将近30米,要一次拉成,没有任何缺陷,也不能焊接,而且壁厚1毫米左右、丝毫不差,对精度控制的要求非常严格。而且还耐高温、耐高压、耐高辐照,要求高精密、高压差,设计寿命从二代的40年增加到三代的60年。在这个过程中,民营企业的积极性得到了很好的调动和激发。

  U型管是核电站蒸汽发生器重要组件,被核燃料加热的热水,正是通过蒸汽发生器里这无数根细长的U型管进行能量交换,从而产生高温高压蒸汽并实现发电的。

  蒸汽发生器中的U型管不仅尺寸繁多,而且对于密封精度、防腐蚀、防放射性的要求很高。

  在设计单位上海核工院和总设计师郑明光的指导下,宝银投入了大量研发资金,自主研制了精密管装备和全流程生产线,经过几年的攻关努力,终于生产出了第一根国产的核电站用U型管。

  宝银通过加入“国和一号”产业链,不断提升研发生产能力,成长速度十分惊人。如今它已成为当地“专精特新”重点企业,全球第四个具备核电站核岛用U型管生产能力的企业。

  03国际市场议价能力取决于制造能力的强弱

  郑明光:在中国具备自主制造能力之前,U形管的国际价格大约200万元一吨。CAP1400“国和一号”,我们用12606根管子,一个蒸汽发生器125吨,两个蒸汽发生器就250吨。

  后来通过重大专项,宝银、浙江久立两家企业奋发努力,都完成了U形管的研制,国际市场价格马上跌到了60到70万一吨,一个蒸汽发生器可以省4000万左右U形管的钱。

  这个价格的降低,从某种程度上讲,是我们的国产化能力支撑了我们合理地取得国际市场资源。国际市场价格跟你的国产化能力、自主制造的底蕴都是有关联的。

  核电站里,蒸汽发生器的主要功能是把一回路的反应堆里的能量带到二回路,到汽轮发电机去做功发电。蒸汽发生器空重813吨,高度23米,直径大的地方6.2米、小的地方4.8米,每小时能够产生4040吨蒸汽、提供202万热功率,是一个超大的设备。

  一体化大锻件也是我们在研制过程中提出来的。为什么要一体化?主要是减少焊缝,使放射性废物人员(可能吸收放射性)剂量最小化。

  大锻件是什么概念?最大直径6.2米。锻打这样直径的锻件,装备、设施必须要跟得上。最厚的一块板,管板860毫米厚,而且将来是要钻孔的,需要用到500吨级的钢锭,这些都体现着国家的制造能力。

  重大专项实施之前,所有的大锻件全要进口。我们国家发电装机容量比较大,电力建设规模也比较大,国外一些小供应商的制造能力不足以支撑我们国家的规模化发展,所以大锻件的国产化是必须要实施的。

  中国一重是共和国“长子”,通过不断努力,全面克服了大锻件的难题。CAP1400(“国和一号”)的大锻件解决了,所有其他型号的大锻件就都解决了,这就是辐射带动作用。

  另外一个关键点就是焊材。核岛里的核级焊材大概有26种,全部需要进口。重大专项实施以后,我们对镍基焊材、不锈钢焊材、碳钢焊材等进行了全面规划,共列出6大类、26种焊材进行研制,最后在哈焊所、大西洋(焊材)等研究单位的共同努力下,对26种焊材都进行了合格性鉴定,满足考核指标的要求。

  对于刚刚讲的大锻件、U形管、焊材等,我们首先是解决材料配方问题。U形管由几十种元素组成;焊材微量元素上的细微差别,都会带来整体性能上的明显差别。国际上有个大概范围,比如含硅量、含锰量、含硫量、含磷量;但精确的数字,需要我们自行研究。

  还有一个关键点就是蒸汽发生器筒体的焊接工艺。最难的就是800多吨重、24米长的蒸汽发生器与主泵泵壳的焊接,如果焊坏了,两个设备都报废。窄间隙的焊缝,焊接技术、变形技术,从热态到冷态的变形过程,都显得非常重要。

  焊材、锻件、U形管,我们都对配方进行了认真细致的排摸分析,形成相关的制作工艺。配方、制造工艺,这几个字看着简单,但都是千辛万苦经过大量的试验研究后,才真正形成了成熟的材料技术。

  关键的制作工艺,第一个是钻孔。要有这么大的换热能力,必须要有这么大的换热面积,必须要有这么多的U形管束。我们总共有12606个管子;一台蒸汽发生器提供14000多平方米的换热面积,要打25212个孔,每个孔都要丝毫不差。如果有个孔打坏了,整块管板全报废了。这个板的厚度,刚刚讲到了860毫米,将近1米厚;打2万多个孔,而且要丝毫不差,这就是高端制造能力。

  堆内构件作为核电厂最精密的设备之一,加工精度要求极高,过去我国无法达到,只能依赖进口。如今,国和一号和产业链上企业共同努力,突破了大量材料和设备制造技术难题,实现了核岛内主设备相关部件的整体锻造和精密加工。但是,这也给后续的制作安装工艺提出了更高要求。与为安装U型管钻孔一样,在堆内构件堆芯支承板上钻孔同样是一个巨大的考验,一旦差之毫厘,损失巨大。这一难题摆在了产业链上的另一家企业——上海第一机床厂有限公司面前。

  为了满足“国和一号”的工艺要求,上海第一机床专门研发了高精度的多功能专用设备。

  上海第一机床厂作为曾经陷入困境的一家老国企,从这件事上获得了深刻感悟:核心技术是买不来,也求不来的;只有自身强大了,对手才会与你平等地走到一起。企业只有紧紧抓住产业链升级的机会,勇于投入,迎接挑战,才能迎来新生。

  04良性竞争机制有利于强健产业链体系

  从上世纪80年代开始,中国先后引进了法国、加拿大、俄罗斯核电技术。多头引进、多种核电堆型和技术标准并存,所需的工业支撑体系不一,这给我国核电技术的标准化、系列化和国产化造成了很大困难。

  “国和一号”重大专项通过关键技术的研发,补足了核电产业链上的短板。同时,基于高安全标准所制定的“国和一号”新核电产品标准,也使我国成了全球核电高端制造领域最顶级的少数“玩家”之一。

  那么,“国和一号”在强健产业链过程中还有哪些特别的策略?为什么一个设备或者部件,要选择几家供应商同时生产制造?

  郑明光:如果产业链体系只有一家,价格就会被垄断,成本会提高;同时因为缺乏动力,技术就不太会进步。只有合理的市场竞争格局,才可能促进整个产业体系的良性有序发展。在重大专项实施过程中,我们有序地布局2到5家企业来承担同一种设备的制造。

  在大锻件方面,我们汇聚了中国一重、中国二重、上海重机厂、中国宝武、鞍钢集团、包钢、安徽应流等生产企业;蒸汽发生器,上海电气、东方电气、哈电集团、中国一重都能够制造;压力容器,几大电气集团都具备相应的制造能力。

  在泵给阀门上,我们有两大企业能生产主泵,有多家企业能够支撑一般泵给阀门的型号开发。

  这种布局,要花几倍的心血,要通过两三家制造企业的相互合作,利用国家的举国机制来提升整体平台能力。良性竞争格局,使得质量有保证、价格合理,产业链体系稳定有序、集体升级。

  近年来,中国科技水平能够取得突飞猛进的提升,正是得益于社会主义市场经济条件下新型举国体制的优势。新型举国体制意味着国家通过发起重大研发项目,以体制创新为科技创新提供动力,发挥市场在资源配置中的决定性作用,充分调动一切积极因素,让科技创新智慧有效迸发。在“国和一号”研制过程中,核岛一回路的主泵国产化一直是一个难题,国家电投通过科学部署技术路线,引导不同所有制的企业共同参与科技攻关,共同破解制造难题。

  “国和一号”的核岛主泵研制为什么需要集中这么多技术力量?如此大规模的投入会给产业链上的企业和我国的制造业带来什么?

  郑明光:当年,大家都认为主泵极其困难,因为AP1000主泵也经历了六七年的试验、失败、试验、再成功的过程。而CAP1400“国和一号”的主泵流量要增大21%,频率从60赫兹变成50赫兹,直径更大,要免于维护运行60年,制造难度、加工难度、精确度更高。

  “国和一号”设计反应堆输出功率需要超过135万千瓦,远超过上一代和国外同类产品,这意味着核岛需要更大功率的主泵,用更大流量导出反应堆热量才行。此前,美国企业所拥有的屏蔽泵技术,无法满足设计要求。眼看“国和一号”被主泵设计之难所困,一家上海电气旗下的合资公司提出了他们的解决方案。

  为了达到“国和一号”设计方国家电投的设计要求,这家叫上海电气凯士比的中德合资企业,开始投入巨大财力人力对原有的电机技术进行改造研发。

  整个主泵产品研制成功以后,为了验证了其极端情况下的可靠性,这家企业自筹资金建造了一座7层楼高的主泵试验台架,每台主泵出厂前需进行苛刻的高温、高压、全功率试验验证,验证合格后才能交付至核电站现场。

  与此同时,国内另外几家企业,也联合开发出了符合设计要求的新一代屏蔽泵,性能远超之前美国的屏蔽泵技术。这次两条技术路线的暗中比拼,使我国核电产业链在这一领域的技术一跃成为了全球领先。

  郑明光:为了主泵的研发,我们投入了几十亿经费,花了10多年。没有主泵,功率就上不去。

  通过项目的持续建设,特别是国家重大专项,我们建立了全球最完整、最有竞争力先进压水堆的产业链体系。美国、德国、法国,可能某一项有的,但论总体、全局、整个产业链的配套体系、对整个型号的支撑上,他们都不如我们。

  “国和一号”先进产业链体系建设,首先带来的是核电造价降低20%左右。发电、供热,老百姓用能的成本进一步降低。

  最后讲讲我的一些感受。

  第一是以我为主、引进消化吸收再创新、形成先进型号、建成先进产业链体系,能够解决工程技术产业需求与当前经济发展的“卡脖子”问题,增强国际合作能力。这对我们国家经济发展有巨大的推动作用。

  第二是技术创新链是个完整的过程。前沿探索、理念创新、基础研究、技术开发、工程应用、价值创造,是一个完整的过程。我们不仅是要解决工程技术的应用和价值创造,还要解决前端的理念创新、基础研究。这不是“卡脖子”,而是“卡脑子”。中国已经发展为世界第二大经济体,我们有非常大的经济体量、有非常好的产业链体系,要为全球作更大的贡献。

责任编辑:褚赞赞
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