日本ABWR核电技术研发和制造概况

1/8日本ABWR核电技术研发和制造概况刘志铭（苏州热工研究院有限公司江苏苏州215004）中国的核电事业，随着90年代秦山、大亚湾核电站建成投入商业运行，揭开了我国大规模和平利用核能的历史篇章。党中央、国务院对发展核电极为重视，提出了“十五”和“十一五”期间“积极发展核电”的方针。世界核电发展经历了一段曲折之后，现正朝着积极的方向发展，核电将成为实现能源可持续发展战略实施的重要支柱之一。各国的开发商、电力公司以及研究机构正在积极地进行新型反应堆电站的开发项目，大家熟知的第三代核能系统的典型代表有：先进沸水堆ABWR、系统80+、AP-600、、APWR、欧洲压水堆EPR。系统80+、AP-600、AP-1000和ABWR均已通过最终设计批准（FDA），并由美国核管会NRC颁发了设计证书，而其中在日本的ABWR是唯一建成投产的改良型核电机组。ABWR优异的性能及安全运行的实绩使其成为各电力公司寻求新建核电站的首选堆型之一。自1997年日本东京电力公司的柏崎·刈羽6、7号先进沸水堆机组投入商业运行以来，到2006年6月底为止，在日本已经相继建成并投运了2台ABWR机组：滨冈（Hamaoka）5号和志贺（Shika）2号，另外有几家电力公司正在考虑建造ABWR。我国台湾省台湾电力公司正在建设2台先进沸水堆机组，即龙门（Lungmen）核电站1、2号机组。美国能源部DOE也将ABWR与其他几种先进堆型一起列入2010年核电兴建计划（2010Initiative）中的候选堆型；美国的TVA电力公司也考虑建造ABWR机组，并完成了建造ABWR核电站的可行性研究报告；美国的NRG能源公司正在研究在南德克萨斯厂址上建造ABWR的可行性。为此对ABWR技术的各个方面进行了考察，下面是在日本进行ABWR技术考察到的情况汇总。考察的重点是，了解日本核电设备的制造能力、先进沸水堆核电2/8站的实际运行性能情况。考察了东芝公司核电事业部矶子核工程技术中心（IEC）、东芝公司京浜事业所、石川岛播磨重工业株式会社横滨事业所（IHI）、日立制作所及其核电设备制造工厂、东京电力公司的柏崎·刈羽先进沸水堆核电站、ABWR仿真机培训中心等。东芝矶子核电工程技术中心(IsogoNuclearEngineeringCenter)。东芝公司改进型BWR的开发建设就是以东芝矶子核工程技术中心为核心开展的。该中心是东芝核能技术的中枢，从事规划、开发、设计至建设、试验运转及运行服务、维修保养等与先进沸水堆成套设备相关的全部核电工程技术工作。该中心本馆于1982年1月开业，新馆于1991年12月开业，实验楼于1982年以后分期开业，1997年2月取得ISO9001资格认证。据该中心负责人介绍，IEC工程技术的管理范围包括：BWR、ABWR、FBR设备、核燃料循环设施、先进的能源系统、后处理系统、铀浓缩系统、超导、聚变研究。矶子中心自己确定的目标为：设计研究开发的一体化、产品质量保证和国际合作。矶子核工程技术中心拥有沸水堆核电站模型展览室、先进沸水堆内置泵（RIP）实体分解样品、全尺寸先进沸水堆堆芯横端面模型以及控制棒驱动机构和燃料组件展览样品。矶子核工程技术中心还承担了东芝公司的对外核能宣传工作，积极接待公众，开放相关的技术和安全研究设施。石川岛播磨重工业株式会社横滨工厂。石川岛播磨重工业株式会社（IHI）是日本乃至世界上著名的重工业机械制造公司，公司创立于1853年，在核电站工程中，IHI一直是东芝公司的协作单位或分包商，自1971年制造第一台沸水堆压力容器以来已生产了20台反应堆容器。在石川岛播磨重工横滨工厂主要参观了反应堆压力容器的制造，这里巨大的厂房、各种精密的加工设备给人留下了深刻的印象，厂房内包容了先进沸水堆压力容器制造的所有工序段。世界上第一台ABWR——东京电力公司柏崎·刈羽核电站6号机组（1356MWe）的反应堆压力容器就是从这里制造出厂的。IHI还承担了中国台湾省龙门核电站2号机组（1350MWe）压力容器的制造。据IHI专家介绍，在IHI横滨工厂制造的重型设备，其详细设计都由IHI自己完成，并有从事焊接、3/8热处理和材料研究的科研机构。东芝京浜（Keihin）事业所。东芝京浜事业所从事反应堆设备和汽轮机、发电机的制造。京浜反应堆设备制造工厂主要生产堆内构件、控制棒及驱动机构、内置泵、废物处理系统机械、燃料操作机，据介绍，除燃料组件由GE、东芝、日立的合资公司制造外，其余堆内设备均由京浜工厂制造，而汽轮机制造工厂则主要生产汽轮机、发电机、大型电动机和热交换器，为了引进先进的汽轮机叶片设计的制造技术，和美国通用电气公司（GE）合资建立了由GE控股的合资企业。在柏崎·刈羽先进沸水堆的建设中，京浜事业所承担了6号机组的堆内构件和内置泵的制造以及7号机组常规岛汽轮发电机的制造。京浜事业所迄今为止生产的火电汽轮机总容量已达到1亿千瓦。京浜还生产水电设备，它制造了日本第一台水轮发电机；并生产制造联合循环发电厂、燃气轮机和余热回收锅炉、各种电动机、发电机、燃料电池，与关西电力公司、京都大学联合开发超导发电机。另外，近年来东芝公司还通过京浜事业所大力开发环保设备，重视环保使京浜事业所于1994年获得ISO14000环境体系的认证。京浜汽轮发电机制造厂有着相当大的生产规模，生产线上加工的汽轮机、发电机有我国台湾、埃及和美国杜克电力公司的订货。东芝公司从1965年开始，一直长期从事核电站建设事业，积累了丰富的建设经验。建设施工以保证电站的可靠性为最高宗旨，在缩短工期、提高经济效益方面发明了许多新型施工法。有关轻水堆技术、包括新一代BWR在内，东芝正朝着建设一个可靠的、安全的、运行性好、经济效益高的核电站目标不断地研究、开发新技术。日立制作所。在日立制作所首先由日立专家介绍了日立公司开发的三维计算机辅助设计系统（3D-CAD），展示了ABWR的三维计算机辅助设计系统。日立公司经多年努力开发并完善的工厂综合CAE系统以统一的数据库为主的最新计算机技术，把从概念设计到制造、安装、运行和维修全过程有机结合起来，谋求工厂的高可靠性和最佳化的系统，达到节省设计时间、优化设计和最终加快安装进度的目的。在这之后参观了日立公司的ABWR内置泵（RIP）试验中心和汽轮机4/8制造工厂，ABWR与BWR最大的区别之一就是ABWR采用了内置式冷却水循环泵，为了验证内置泵的性能日立公司专门建造了该试验中心，每台制造完工的内置泵出厂前均要在这里以ABWR实际运行工况作检验。日立海峰工厂的汽轮机制造情况与东芝大致相似。还包括凝汽器制造工厂和控制棒驱动机构（FMCRD）和堆内构件的制造设施、日立公司仪表和控制系统（I&C）的研发工厂以及不锈钢产品制造车间，这里主要生产新燃料、乏燃料贮存架。由此可见，日立公司的生产制造规模同样巨大。日立公司与中国核工业集团在大连建立了一家合资企业，大连日立宝原机械设备有限公司（DHME），该公司成立于1997年5月，主要从事核电站、火电站供热辅机及发电辅机设备、铸造产品的制造和销售业务。至1999年底，日立公司作为主承包商共建造了10座沸水堆核电站，在柏崎·刈羽核电站先进沸水堆的建设中承担了7号机组核岛和6号机组常规岛的工程。日立制作所下设诸多事业部，原子能事业部在其中占有举足轻重的地位，原子能事业部核电设备的销售额已占各事业部总额的51%。经过多年的实践，原子能事业部形成了自己独特的体制，其特点是通过“可靠性与速度”不断提高顾客满意程度。日立集团的组织体制是以项目为主导的快速对应和责任体制；项目管理体制反映在通过从开发到维护、保养的一元化管理来提高总体的可靠性。日立公司专家最后介绍说，日立集团依靠自主研究、开发基础技术，此外还同电力公司一道开展联合研究，积极致力于开发面向21世纪的沸水堆所需的主要基础技术，不仅如此，日立公司过去是、将来仍将大力开展快堆、新型转换堆、核聚变等未来原子能技术的开发工作。日本西海岸上的柏崎·刈羽核电厂。该核电站位于东京西北220公里处，属于东京电力公司，占地4.2平方公里，共有7台机组，其中1至5号为BWR，6、7号为ABWR，总装机容量达到8212MWe，每年这7台机组大约发出电力600亿kWh，负荷因子为82.4%，为世5/8界第一大核电厂，而其营运机构东京电力公司是日本最大的电力公司，拥有柏崎·刈羽、福岛-Ⅰ、福岛-Ⅱ三座核电厂，全为沸水堆。东京电力公司的顾客所消耗电力的45.6%来自核电，而核电中又有大约一半来自柏崎·刈羽核电站提供。核电厂除了七台发电机组之外，厂内还包括公共信息中心，技术培训中心。柏崎·刈羽核电站仅有940名电厂运行和管理人员，此外还有两至三千名常驻现场的设备供应商（东芝和日立公司）员工从事着各种各样的维修工作。柏崎·刈羽核电站6、7号ABWR机组，是世界上投入商业运行的唯一满足URD要求的先进型反应堆，分别于1996年11月和1997年7月投运，目前运行情况良好，设备可利用率为87.6%。6、7号机组的仪控采用先进的全数字化系统（A-PODIA），具有优良的运行性能和可操作性，系统具有先进的人机界面；监控操作可在小型化操作控制台上完成；运行中的重要情报数据以大型显示盘表示，全体操作人员均可监视；增强了控制棒操作等运行自动化，进一步减轻操作人员负担；报警显示依轻重缓急，分类先后表示，提高判断识别；广泛采用数字式技术，以光纤作为传输介质的多路信号传输网络，提高了控制性、可靠性和维修保养性。整个仪控系统给人以深刻的印象。根据电厂主管人员介绍，因为ABWR机组启停堆和运行都非常平稳，操作方便，所以在ABWR机组工作过的运行人员都不再愿意回BWR机组工作。安全壳顶部和汽轮机发电机旁。辐射剂量监测仪显示分别为0.0005mSv/hr（NI反应堆顶部厂房）、0.003mSv/hr（CI距高压缸10m处）、0.02mSv/hr（CI高压缸边），远低于限值，体现了良好的安全防护性。两台ABWR机组的可用率、停堆大修时间、职业辐照量及年核废料排放量均在设计指标以下。BWR操作员培训中心（BTC），该中心座落在柏崎·刈羽核电站附近，为一独立法人单位，股东由BWR制造商和电厂联合组成。该中心自1971年创立以来，一直专心致力于沸水型核电站运行人员的培养和训练，对受训人员的培训十分规范和全面且系统性强，要求十分严格。培训中心内有容量为784MW、1100MW和1356MW的仿真6/8机5台，培训对象不仅是柏崎·刈羽核电厂的运行人员，也承担了全日本沸水堆核电厂的运行人员。考察期间还亲临1356MW的5号仿真机观看一次事故的模拟情况。柏崎·刈羽核电站不仅为社会奉献了安全、可靠、经济的电力，而且十分重视公共关系和安全文化的宣传，让公众获知核电站运行及安全方面的信息，具体措施包括：①厂内设立公共信息中心，内设有模型（1/5比例的安全壳和反应堆模型）和展览，该中心每年吸引约十万名访客；②核电站每月发行一期名为《原子新闻》的通讯，分发于柏崎市和刈羽村的每个家庭，该通讯介绍了核电站发生的各种事件和有关辐射的各种事实；③开通网站（英文和日文）；④出版年报，每期共100页，其内容包括核电站在运行、性能、事故方面的信息，环境监测结果以及为保证核电站安全可靠运行所采取的自我调节活动；⑤“电厂开放”日，电站每年两次邀请当地居民参观电站。早在1987年，东京电力公司决定采用ABWR用于柏崎·刈羽核电站6号和7号机组是大胆而有远见的，如今，ABWR已成功投入了运行标志着先进性反应堆首次实现商业化，为日本乃至整个世界建造先进核电站树立了榜样。东京电力公司开发利用ABWR实现了下述目标：提高安全性和可靠性，减少职业辐射照射量和放射性废物；提高可操作性，改善了经济性。电力公司最关心的是核电站安全性和经济性，东京电力公司的实践表明，ABWR的经济性与上一代的BWR电厂相比已得到了确认。随着电厂设计的标准化，预计后续ABWR电厂的建设和营运会更经济。正因如此，ABWR的市场前景十分看好，访问期间日本专家介绍，目前的先进沸水堆核电新项目有：全堆芯混合氧化物燃料（M