AP1000

AP1000^[1]（Advanced Passive PWR的简称）是西屋电气公司依照非能动核安全概念而设计和销售的第三代反应堆核电站方案，毛功率1250MWe，净功率1110MWe^[2]。

AP1000 的设计可以追溯到之前的两个设计，即西屋公司的AP600和Combustion Engineering 的第二代+(Gen II+)的System 80。

System 80 设计由燃烧工程公司（Combustion Engineering）开发，采用双回路冷却系统，每个回路配备一台蒸汽发生器和两台反应堆冷却剂泵，相比于每个回路配备一台蒸汽发生器和一台反应堆冷却剂泵的系统（每个回路包含两台、三台或四台蒸汽发生器），该系统结构更简单，成本更低。^[3] 美国已建成并运营三座反应堆，韩国已建成并运营四座，使其成为第二代+（Generation II+）反应堆设计中最成功的方案。

ABB集团于1990年收购了燃烧工程公司（Combustion Engineering） ^[4] ，并推出了System 80+系统，该系统进行了一系列设计变更和安全改进。^[5]作为ABB一系列合并、收购和剥离的一部分，该设计于2000年被西屋电气公司收购，而西屋电气公司本身于1999年被英国核燃料有限公司（BNFL）收购。^[6]

在整个 20 世纪 90 年代，西屋公司一直在研发一种名为AP600的新型反应堆设计，其设计功率约为 600 兆瓦。这是美国能源部先进轻水反应堆计划的一部分，该计划致力于研发一系列第三代反应堆设计。与第二代反应堆相比，AP600 的结构要简单得多，零部件总数大幅减少，尤其是泵的数量。它还具备被动安全特性，这是第三代反应堆设计的关键特征。^[7]

AP600属于小型反应堆。小型核电站会定期推出，因为它们可以应用于更广泛的市场，而大型反应堆的功率过大，无法满足当地市场的需求。此类设计的缺点是，其建造时间和成本与大型设计相比并没有显著差异，因此这些小型设计的经济效益往往较差。AP600通过模块化建造解决了这个问题，目标是在36个月内完成从浇筑混凝土到装载燃料的整个过程。尽管AP600具有这些吸引人的特点，但西屋公司却未能售出任何一台AP600。^[7]

随着 BNFL 收购该公司并与 ABB 合并，结合 System 80+ 和 AP600 特性的设计诞生，即 AP1000。BNFL 随后于 2005 年将西屋电气出售给了东芝。^[8]

2006年1月27日，美国核管理委员会（NRC）批准AP1000“设计控制文件”（The Design Control Document，简称DCD）第15版。^[9]这是美国核管理委员会（NRC）收到的最终设计批准的第一个第三代反应堆。^[10]这意味着，未来的美国建筑商可以在施工开始前申请建设和经营联合许可证，其有效性是有条件的：工厂要按照设计被建造，和每个AP1000应该完全相同。2006年3月8日，美国电力公司UnStart和田納西河谷管理局(TVA)，向NRC申报建造运行联合许可证（COL）。NRC要求报送AP1000的设计资料和与建设项目相关资料，包括：与建造运行许可证相关的AP1000的标准设计资料；详细设计工作中对标准设计的修改;关于标准设计的有关设计控制文件、设计过程、设计方法、设计验收规范等方面的资料；有关检验、试验、分析和验收标准等的资料(ITAAC)。^[11]

2006年12月中美签署两国政府《关于在中国合作建设先进压水堆核电项目及相关技术转让的谅解备忘录》及2007年7月中国企业与西屋公司签订AP1000技术转让和依托项目核岛工程合同。2008年中国开始建设AP1000-2005的设计的四台机组。

2007年5月，AP1000的设计通过了European Utility Requirements（EUR）审查，其审查结论是有1%的不符合项(non-compliant),限期在18个月内修正,有8%的项目其实是不可实现的高指标(not accessible at this time)。^[12]2007年中，AP1000申报英国监管当局的GDA评审，2011年评审计划到期。

西屋公司继续对AP1000改进设计，向NRC报送了DCD16版(2007年5月26日)、DCD17版(2008年9月22日)、DCD18版(2010年12月1日)，但这3个版本并不具有法律效力，2011年6月13日向NRC提交了DCD19版。2011年12月22日NRC正式批准了AP1000的DCD19版。^[13]此后，NRC确认DCD19版是唯一有效的版本，用原15版认证证书至2021年2月27日的有效期起止点定为19版的有效期，19版把15版全部覆盖，15版证书被撤销。2011年12月NRC决定对AP1000的ITAAC审批推迟到装料运行之前。2012年2、3月，NRC分别给美国国内的4台机组项目颁发了建造运行联合许可证（COL）。

2012年2月9日、3月30日，美国核管理委员会分别批准了南方电力在佐治亚州的Vogtle厂址和南卡罗来那电力与燃气公司在南卡罗来那州的V.C.Summer厂址各两台AP1000机组的建设运营联合许可证（COL））。^[14]V.C.Summer的两台机组分别于2013年3月11日和11月4日完成核岛底板混凝土浇注。2017年3月，西屋公司根据美国《破产法》第11章申请破产保护。2017年6月10日和7月28日，东芝先后发布声明，宣布与Vogtel及V.C Summer项目业主达成协议，将为两个项目业主分别赔偿36.8亿美元和21.68亿美元。2017年7月31日，分别持有V.C.Summer核电项目55%与45%股份的业主南卡罗来那电力与燃气公司与Santee Cooper各自发布声明，宣布将停止V.CSummer项目两台机组的建设。^[15]

为遵从EUR标准，AP1000标准设计作了修改，其中一项是把正常余热排出系统（normal residual heat removal system， RNS）物理上分为两个独立的系统，以改进工厂纵深防御能力。^[16]

2015年3月重新启动英国监管当局ONR的GDA第二轮评审。2017年3月30日，AP1000的改进设计通过了英国监管当局的GDA评审。^[17]

首台AP1000反应堆正在从2009年开始在中国三门县的三门核电站建造，在经历各种设计变更、核心设备缺陷如主泵达不到设计标准，延期4年后，终于在2018年9月正式商用。

AP1000 是一座压水反应堆^[9]，具有两个冷却回路，计划净输出功率为 1,117MW e。^[18] 它是AP600的改进型^[18]，本质上是一个功率更大的型号，占地面积大致相同。^[9]

设计目标是通过利用现有技术并减少所需设备（相比拥有三到四个冷却回路的竞争设计），降低第三代反应堆设计的建造成本。该设计减少了包括管道、电线和阀门在内的组件数量。标准化和设备制造许可制度（工厂模块制造和现场建造同步进行）也有助于缩短建造时间和降低成本。由于其设计相比西屋第二代压水堆更为简化，AP1000具有以下优势：^[18]

• 安全相关阀门减少50%
• 泵数量减少35%
• 安全相关管道减少 80%
• 控制线缆减少 85%
• 抗震建筑体积减少 45%

AP1000的设计在占地面积上比大多数现有的压水堆更为紧凑，其混凝土和钢筋用量不到旧式设计的五分之一。^[18] 该电厂的设计采用了概率风险评估方法。这使得风险最小化，并能够计算电厂的整体安全性。据美国核管理委员会（NRC）称，这些电厂的安全性将比上一次研究NUREG-1150中的电厂高出几个数量级。AP1000的最大堆芯损坏频率为每座电厂每年5.09 × 10⁻⁷次。^[19] AP1000产生的乏燃料可以无限期地储存在电厂现场的水中。^[20] 老化的乏燃料也可以像目前美国运行的核电站一样，储存在地上干式乏燃料储存罐中。 ^[18]

各种类型的动力反应堆即使在主反应停止后，仍会继续产生放射性衰变产物产生的热量，因此必须移除这些热量以避免反应堆堆芯熔毁。在AP1000反应堆中，西屋公司的被动堆芯冷却系统利用位于反应堆上方的水箱进行冷却。当被动冷却系统启动时，水会依靠重力流到反应堆顶部蒸发，从而带走热量。该系统使用多个爆炸式和直流式阀门，这些阀门必须在启动后的前30分钟内运行。即使反应堆操作员不采取任何行动，这些阀门也会自动运行。^[21]启动被动冷却系统所需的电力系统不依赖外部或柴油动力，阀门也不依赖液压或压缩空气系统。^[9][22]采用非能动安全系统，事故工况下72小时内操纵员可不采取任何手动动作，72小时后也仅需少量的厂外援助。^[18]该反应堆采用屏蔽主泵（密封式罐装电机泵），无需反应堆冷却剂泵密封件，直接安装在蒸汽发生器底部。这减少了大直径主回路管道的数量。^[23][24][25]

AP1000 设计的第 15 版采用了一种特殊的安全壳结构，在经过安全评估报告^[26] 和设计认证规则^[27]审核后，已获得美国核管理委员会 (NRC) 的批准。 第 17、18 和 19 版也获得了批准^[28] 。

其主要特点归纳为：采用非能动的安全系统，安全相关系统和部件大幅减少、具有竞争力的发电成本、60年的设计寿命、数字化仪控室、容量因子高、易于建造(工厂模块制造和现场建造同步进行)等，其设计与性能特点满足用户要求文件（URD）的要求。 ^[29]

反应堆采用西屋成熟的Model314技术，该技术已成功地用于比利时、美国的多个电站上。 反应堆冷却系统为二环路设计，每个环路通过冷却剂管道联接有一台大容量蒸汽发生器和两台密封式的冷却剂泵，此外冷却系统上还联接有一台稳压器。

采用非能动的安全系统。它采用双层安全壳，并保留了AP600的非能动安全系统的构架，系统设计简化，安全性大大提高。 仪控系统是基于Sizewell B的全数字技术而开发完成的，特别采用了经验证的数字化安全系统，采用了紧凑型的工作站式的控制室，采用了基于影像技术的人机接口。^[30]

世界上首台AP1000核电机组为三门核电站一号机组。^[31]2013年中国计划内陆核电站和今后新开工建设的核电项目将以AP1000堆型为主。^[32]

一回路主泵由位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡北郊切斯威克的柯蒂斯-莱特流体控制公司电气-机械分部（EMD）设计制造。^[33]重67吨、直径达2米、高6.5米，采用高惯量飞轮大功率屏蔽电机泵，60年运行期间免维修。主泵的整个转子组件(包括水力部件和电机转子)由位于电机两端的径向滑动轴承和下部的双向推力轴承支承；轴承由一回路水润滑和冷却，采用石墨-硬质合金摩擦轴瓦。每套蒸汽发生器安装两台主泵。首台主泵于2007—2009年制造。2009年9月12日开始500小时型式试验，全速运转挺泵后惰转时发现问题。^[34]2012年4月16日，首台AP1000主泵完成了最后耐久试验^[14]，2012年5月三门核电站的4台主泵从匹兹堡发运中国，三门1号机组预期于2013年底并网发电。^[14]2013年1月13日，产品试验后拆检时发现叶轮入口叶片部分缺失，调查分析确认是分包商制造的叶轮铸件的入口叶片补焊时，未按照批准的程序文件进行质量管控；为此已运至三门的4台主泵运返EMD公司更换叶轮和导叶并重新进行出厂试验。^[35]失水试验发现轴承部件抵抗热瞬态冲击能力需要加强，改进后于美国东部时间8月10日至16日做了改进试验。第2次工程与耐久性试验时出现推力瓦的卡件局部疲劳断裂。2015年2月25日开始第3次工程与耐久试验，包括冷态性能试验、热态性能试验、温升和电气平衡试验(热停堆)、服役循环试验、失电试验、失去外部冷却水试验、反转运行试验等15项，至5月20日完成试验。中国沈鼓集团核电泵业公司、哈电集团动力装备公司是EMD主泵技转对象，负责中美两国4套AP1000级组的16台主泵的部分零部件分包制造及2台追加主泵整机的总装。^[36]2015年8月12日，国家核电公司有关方面确认最后一次主泵耐久性试验后的拆解过程中发现叶轮出现轻微裂痕（主泵叶轮存在“非线性显示”），美国方面正在出具该裂痕报告。^[37]2015年10月主泵通过审查。^[38]

中国建造了4座AP1000反应堆^[39] 已经完全投入商用；美国建造了2台机组，已经完全商用，例外两台机组中途因西屋公司破产而取消。

• 三门核电站一号机组、二号机组分别于2018年7月2日、2018年8月24日并网发电；^[40]
• 海阳核电站一号机组、二号机组分别于2018年10月22日^[41]，2019年1月9日^[42]并网发电。

三门一期和海阳一期4台机组原计划建成价都是约400亿元/台，根据2018年的测算结果，两个项目建成价都在500亿元左右。^[43]

因中美两国信任关系降低，以及首批机组中的延期与故障，中国在完成首批4台AP1000建设后，其余的海阳核电站、陆丰核电站、三门核电站、徐大堡核电站的8座核反应堆建设的在2020年左右前期工作已经就绪，但后续都变更为中国版本的CAP1000。

美国南卡罗来纳州的维吉尔·C·萨默核电站 2号与3号机组，由于西屋公司近期破产、成本严重超支、工期严重延误以及其他问题，该项目在开工四年后的2017年7月被终止。

三门核电站2号机组在运营后发生主泵故障造成近一年的停机^[50][51]，目前机组已经恢复运营。

2006年12月中美签署两国政府《关于在中国合作建设先进压水堆核电项目及相关技术转让的谅解备忘录》^[52]，2007年7月中国企业与西屋公司签订<<中国核电自主化依托项目合作备忘录>>，此时西屋公司已经30年没接到过任何订单，中国将引进西屋公司AP1000技术，建设四台核电机组，AP1000技术转让价格近5亿美元，依托项目核岛工程合同，耗资近千亿人民币的4台机组，作为该协议的一部分，中国获得了重达20吨的75000+技术文档、工程数据和260个软件包以及相关培训^[53]，从而具备了在国内制造该反应堆核心部件（如主泵和蒸汽发生器）的能力。CAP1000与AP1000在反应堆的基础设计上本质相同，但它们代表了在所有权归属、本土化程度以及供应链管理方面所处的不同发展阶段。AP1000是第三代+（Gen III+）压水堆，由美国西屋电气公司（Westinghouse Electric）设计，而CAP1000则是基于该同一设计，授权给中国并实现本土化的版本。CAP1000知识产权归中国所有控制，供应链主要为中国供应链，主要目标是实现能源独立与技术本土化，只能在中国建造，没有西屋许可不能出口。

在首批4台AP1000机组，中国致力于将这些反应堆的供应链完全转移至国内，对引进的技术进行充分的消化吸收、不但要掌握AP1000 是如何设计的（know-how），还要掌握AP1000 是为什么这么设计的(know-why)，同时要真正掌握AP1000的设备制造技术、燃料制造技术、工程建造技术等。从2009年开始，由中国核工程有限公司牵头，一批中国公司参与，国家核电技术公司是核岛建造管理的主体责任单位；上海核工程研究设计院提供设计管理、项目采购技术支持和现场施工技术支持；中国核自仪系统工程有限公司提供专业技术人员派遣支持和技术支持；中国核电站运行服务技术公司提供专业技术人员派遣支持、技术支持以及专业技术培训、专业技能岗位证书培训。^[54] CAP1000正是这项努力的集大成之作——它不仅汲取了从进口 AP1000 机组中获得的经验教训，更完全采用中国的部件、中国的管理模式以及国内的劳动力进行建造。

中国团队从AP1000机组建设过程中学到了很多^{[55] [56]} ：

• 模块式建设：AP1000的模块分为结构模块、管道模块和设备模块。在设计中根据AP1000整体系统结构（包括它们的支撑和部分土建结构）的特点将其归列为各自的模块，直接在工厂里按模块进行预制、组装，最后在核电站实行总装。
• 虚拟建造技术：该技术是利用虚拟现实技术的思想将施工进度计划管理与三维工厂设计技术结合在一起，以实现对AP1000的建造进行可视化计划编制和可视化进度仿真及优化的一项新技术。采用这项技术，有可能大幅度地提高核电厂施工现场的 平行施工能力和工作效率，实现模块化设计和模块化施工，达到缩短AP1000施工工期的目的。
• 简洁的系统：反应堆系统与第二代压水堆基本相同，采用的是成熟的可靠的传统的设计思路和技术。反应堆冷却剂系统，主泵直接安装在蒸汽发生器下封头上，主泵采用屏蔽式泵，电机与水泵共用一根转动轴，其间没有联轴器，所有转动部件均被包容在 与主回路冷却剂相连通的承压壳中。由于屏蔽泵没有轴封，使主回路成为一个“封闭的”系统，传统压水堆核电站中的轴封LOCA事件在AP1000设计中不会发生。

2014年，中国第一重型机械集团公司（中国一重）制造了第一台国产AP1000反应堆压力容器，用于三门核电站2号AP1000机组。^[57] 2018年，由沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司（沈鼓核电）和哈电集团哈尔滨电气动力装备有限公司（哈电动装）共同承制的首台AP1000屏蔽电机主泵顺利完成全部产品试验和试验后拆检工作，试验后拆检工作，屏蔽主泵制造成功。^[58] 三门、海阳依托项目4台机组核岛设备平均国产化率约为55%，其中三门1号机组核岛设备国产化率仅为25%，而海阳2号机组则已超过70%，核岛关键设备国产化供货任务全部完成，反应堆压力容器、蒸汽发生器、主管道、一体化堆顶组件、控制棒驱动机构、核级锆材、核级电缆、双向不锈钢板等设备和材料研制成功。^{[43] [59]}

首批建造的四座AP1000核电站采用的是2005年第15版设计文件，没有加强型安全壳结构，因此无法更好地抵御飞机撞击^[60]；美国的AP1000项目采用的设计文件为第19版，与我国引进时确定的第15版主要差异有19项。针对该主要差异，除“抗商用大飞机撞击”一项外，其余在三门、海阳核电厂建设的过程中均已全部采纳最新设计，批准了3000余份设计变更建议并予以实施。^[61] 中国在2013年曾正式将AP1000作为内陆核电站的标准。^[62] 2017年西屋公司破产后，中国于2019年决定在漳州核电站建造国产的华龙一号核电站，而不是AP1000 。^[63]

2019 年之后，所有未来 AP1000 机组的计划都被CAP1000机组所取代，CAP1000 机组是 AP1000 设计的本地化标准化版本，它降低了成本，并提高了运行和维护性能。^[64] 在批量建造情况下，单位千瓦造价可控制在14000人民币（或者$2,300 - $2,800）以下，而且时间控制在4.5-5.5年；相对美国Vogtle 3号、4号机组的单位千瓦造价$7,900-$10,000，时间10-12年。^{[43] [53]}

中国还利用从首批4台AP1000项目中汲取的工程经验，开发出了更大规模且完全自主研发的设计方案，特别是CAP1400（亦称国和一号），这是基于 AP1000 概念演进而成的 1400 兆瓦级（MWe）反应堆。

正在建设的CAP1000机组合计有11台，规划中还有3台，包括原来准备采用AP1000的机组海阳核电站、陆丰核电站、三门核电站、徐大堡核电站的8座核反应堆建设的前期工作早在2020年前已经就绪。

• 美国的核安全
• 美国核能
• 中华人民共和国核工业
• CAP1400
• 上上電纜

• （英文）AP1000: The Nuclear Renaissance Starts Here (PDF). [2008-06-15]. （原始内容 (PDF)存档于2014-07-23）.  (Westinghouse AP1000 brochure).
• （英文）The AP1000 advanced 1000 MWe nuclear power plant
• （英文）Advanced Pressurized Water Reactor (APWR) simulator（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• （英文）AP1000 design review documents
• （英文）Fairewinds Associates Presentation（页面存档备份，存于互联网档案馆）