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王大中:为国释放一个核能研究者的最大能量
发布人:admin 发布时间:2021/11/4 浏览次数:3695


    一克铀235彻底裂变释放的能量相当于2.9吨标准煤,一个核能专家的“能量”有多大?

    国家最高科学技术奖给出答案。

    11月3日,国际著名核能科学家、我国实现反应堆固有安全的带头人王大中走上领奖台。

    王大中曾说,他几十年的科研生涯主要就是建了三个核反应堆。

    从上世纪60年代新中国首座自行设计与建造的屏蔽试验反应堆,到90年代一体化自然循环核供热堆,再到新世纪模块式球床高温气冷堆,这三个堆极大推动了我国核能科技的发展。

    它们记录了王大中从初出茅庐的青年科研人员到核能技术领军人物的成长轨迹,更见证了我国核能事业从小到大、从弱到强的奋斗之路。

    “球形堆之父”的惊喜

    在近期广受好评的国家“十三五”科技创新成就展上,全球首个第四代核电——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程备受关注。

    此前的9月12日,该示范工程1号反应堆首次达到临界状态,机组正式开启带核功率运行。

    当天,86岁的王大中在他的学生、清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称清华核研院)院长张作义的陪同下见证了这一重要时刻。

    近两年他已很少去外地出差,但这次,他说他一定得去。

    “核电技术一定要实现反应堆固有安全。”他再次强调了35年前就认定的方向。

    时间则给出当年那一重要决策最好的答案。

    1986年4月26日,切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆爆炸的巨响被写进历史。这场释放出的辐射剂量是二战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上的灾难,使世界核能的发展再次迅速转入低谷。各国公众对核安全的信心再次动摇,各国对发展核电的态度和路线也持不同意见。

    此时,王大中没有动摇研制先进反应堆的决心。

    他坚信,核电一定会成为非常重要的清洁能源,而具有固有安全性的模块式球床高温气冷堆将会成为未来核能重要发展方向之一。

    王大中并非盲目自信,他坚持的底气来自更早几年关于核电安全的思考、研究和谋划。

    事实上,早在1979年,美国三哩岛压水堆核电站发生堆芯熔化事件,就给全球敲响了核安全的警钟。王大中也是在此时意识到,安全是核能发展的生命线,未来核电技术发展必须抓住这一主要矛盾。

    幸运的是,时代和祖国给了王大中求解这个主要矛盾的机遇。

    1980年,中国开启改革开放新时代,一大批有为有志青年走出去,学习各领域先进知识。优秀的王大中在德国洪堡奖学金的资助下,前往于利希研究中心反应堆研究所进修,师从球床高温气冷堆创始人苏尔登教授。

    当苏尔登教授将4个研究课题摆在他面前时,他选择了“模块式高温气冷堆的设计研究”。

    彼时,模块式高温堆还只是德国科学家刚刚提出的一个新概念,其核心是要使反应堆具有“固有安全性”,从根本上杜绝发生堆芯熔毁的可能。

    选择一个新概念作为研究方向,显示了王大中的远见卓识和魄力。

    “他的这种战略眼光有时候近乎神奇。”张作义如此形容他的恩师,“2000年后,模块式高温气冷堆才被国际核能界公认为第四代先进核能技术的代表,而老师在此十几年前就认定了这个方向。”

    但要将概念变为现实,却是困难重重。

    王大中创造性提出“双区球床堆”方案,在堆芯中央构建一个石墨球区,以降低堆芯热点温度,从而在保持模块式高温堆优异安全性能前提下,大幅提升单堆设计功率。

    当他将这一方案和验算结果交给苏尔登教授时,这位“球形堆之父”惊喜地说:“过去认为单堆功率提高10%就很不容易了,现在你的设计方案可实现大幅度提高,这是很了不起的,这种环形堆应该申请专利。”

    仅用5个月的时间,王大中就完成了环形堆的初步概念设计。他以此工作为基础完成的博士论文,以“全优”成绩通过论文答辩,仅用一年多时间就获得亚琛工业大学自然科学博士学位,被当地报纸评价为“中国人创造的一个奇迹”。

    高瞻远瞩成就全球高温气冷堆领跑者

    说回1986年的中国,这个“创造奇迹”的中国人将开启另一段传奇。

    在世界核能发展最低潮时期,王大中跟踪国际高温堆发展前沿,做出了3个重大战略性选择:一是模块式球床高温气冷堆堆型;二是从小规模实验堆到全尺寸工业示范电站的发展路线;三是在核心关键技术上坚持自主创新的原则。这3个重大选择对中国乃至世界高温气冷堆技术发展产生了重要影响,明确了我国高温气冷堆从当时起,未来三十年的技术发展路线。

    在王大中等人的力推下,在国家“863计划”的支持下,清华核研院开始了10兆瓦模块式球床高温气冷堆研发。

    球形核燃料元件、燃料球流动特性、氦技术及氦设备……在陆续突破8项关键技术后,1992年,国务院批准立项,在清华核研院建一座10兆瓦高温气冷实验堆。

    8年后的12月,高温气冷实验堆建成临界,又在两年多后并网发电。

    这是世界上首座模块式球床高温气冷堆,它的建成标志着我国掌握了该堆型的关键核心技术,形成了拥有我国自主知识产权的设计技术,并取得了系列重要创新成果。

    王大中没有就此止步。

    他又一次站在国家战略需求的角度,按照“坚持核心关键技术自主创新”的既定方针,提出要实现实验反应堆向工业规模原型堆的跨越,实现我国先进核能技术的跨越发展。

    在10MW高温气冷堆基础上,王大中积极推进单一模块反应堆功率放大25倍、世界首座工业规模的模块式高温气冷堆核电站的建设。

    2006年“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”被列为国家16个科技重大专项之一,高温气冷堆核电站是其中一个分项,其核心工程目标和标志性成果,是在山东荣成建设一座电功率为200MW的高温气冷堆核电站示范工程,为发展第四代核电技术奠定基础。

    这是世界首座工业规模的模块式高温气冷堆核电站,工程规模相当于我国首座秦山30万千瓦核电机组。

    “近几年美欧核电联盟一直想建设一个类似的工业示范工程,但工程尚未开工,进度已经落在我国后面。”张作义说。

    2014年,美国核学会前主席、麻省理工学院安德鲁·卡达克教授现场参观了正在建设的高温气冷堆示范工程后感叹:“中国毫无疑问是全球高温气冷堆的领跑者,而且在未来很长一段时间,中国将继续引领世界。”

    “跳起摸高”的创新定位

    1989年11月3日,在首都西北郊巍峨的燕山脚下,清华大学核研院一座新落成的乳白色建筑物内,指示控制棒位的荧光屏闪闪发光,经过放大的中子计数器嗒嗒作响,人们在屏息静气地等待着一个时刻的到来。

    16点53分,主控制室各种仪表都显示出反应堆已达到首次临界,一位中年人激动宣布:“5兆瓦低温核供热堆首次临界运行成功。”

    从1985年开始,王大中主持低温核供热堆研究。

    在总体方案的选择上,在实现反应堆安全的前提下,既要实现核能供热的目标,又要深谋远虑地把握反应堆技术的发展方向,他带领团队花费了近一年时间进行论证,期间专程带队去欧洲考察,着重调研了德国西门子的一体化壳式供热堆和瑞典的池式供热堆,经过反复研究和论证,最后确定选择壳式一体化自然循环水冷堆,并计划先建设一座5兆瓦低温核供热堆,以掌握其核心技术。

    实践证明,这个方案的选择具有很强的技术前瞻性。一体化自然循环已成为21世纪以来国际上小型轻水核反应堆发展的主要技术方向之一,在小型核能发电、热电联产、核能供热、海水淡化等方面有广阔的应用前景。

    1985年,王大中主持国家“七五”重点科技攻关项目“5MW低温核供热堆研究”。从立项报告、设计方案、实验现场到建设工地,他全程负责,亲力亲为。

    5兆瓦低温核供热堆于1986年开工,1989年建成并首次临界成功,投入功率运行。随后三个冬季供热运行累计8174小时,供热可利用率达到99%。这是世界上首座一体化自然循环水冷堆,也是世界上首次采用新型水力驱动控制棒的反应堆。

    5MW低温堆成果获得国际核能界高度赞誉。时任联邦德国总理科尔的核能总顾问弗莱厄博士在贺电中称,“这不仅在世界核供热反应堆的发展方面是一个重要的里程碑,同时对解决环境污染问题也是一个里程碑。”

    “要善于把握技术发展方向,选好技术方案和项目目标,在目标定位上要‘跳起来摘果子’,如果目标过高或过低,只能无功而返或达不到预期成果。”王大中日后总结,“跳起来摘得着”才是适度的高标准,设法使自己跳得高一些,达到一个高度后,再瞄准新的高度,取度合适,才能实现勇于创新与务实求真的结合。

    来自“200号”60年前的磨炼

    知易行难。完美实现勇于创新与务实求真的结合,也正是张作义最佩服老师的地方。

    “他强调在开放合作背景下谋创新,但任何时候都不忘需要将关键核心技术牢牢掌握在自己手里,这其实需要极大的决心和魄力,和坚忍不拔的毅力。”张作义说。

    以10兆瓦高温气冷堆中的核燃料球为例,对这一关键技术,当时有人提出购买国外早期研究文档。王大中在多方调研论证后强调,必须自己研发。

    10兆瓦堆采用球形燃料元件,全堆装2万多个球,每个球包含有8000个直径小于1mm的包覆颗粒,每个颗粒内有0.5mm铀芯和三层热解炭及一层碳化硅的包覆层,每炉一次制备500万个颗粒,不合格率要小于十万分之二。

    在近10年的攻关后,王大中带领团队最后批量生产出2万多个燃料球,其质量达到国际先进水平。

    “攻克核心技术要经历多次失败,不可能一蹴而就,这是一个‘十年磨一剑’的长期积累过程,既需要有知难而进的勇气,又需要有锲而不舍的韧劲。”王大中曾说。

    “如果当时我们用了别人的技术,很难有今天的先进性和世界最大规模批量生产的能力。”张作义感叹。

    王大中的坚持和知难而进与新中国首座自行设计与建造的屏蔽实验反应堆分不开。

    鼎鼎大名的清华核研院在核行业内和清华校内常被称为“200号”,得名于核研院建院初期在校内的工程编号。

    “200号”最初因一座功率为2000千瓦的屏蔽试验反应堆而建。

    1960年,京郊昌平的虎峪山区,一群平均年龄接近23岁的清华教师和学生,开启艰难的建堆之路。

    彼时,清华大学工程物理系第一批毕业生王大中毕业留校才2年。

    1956年清华大学成立了工程物理系,这是国家为培养原子能科学技术人才而成立的第一个核工程系。该系的首批学生全是从其他院系抽调过来的精英。

    刚在机械系读完二年级的王大中被调入这个新的系。虽然王大中日后戏称,这次转读工物系是“身不由己”,但随后选择核反应堆专业确是心之所向。

    对核反应堆完全不了解的王大中对一件事印象深刻。他看过一个介绍苏联第一个原子能发电站的纪录片,尽管那座核电站功率只有5000千瓦,但原子核裂变释放出的巨大能量,以及那厚厚的混凝土墙和自动开启铁门后面的原子炉,给他留下了强烈而深刻的印象。

    “链式裂变是怎样发生的,又是怎样被控制的,能量又是怎样传出和利用的?正是这种好奇心驱动着自己选择了核反应堆专业。”王大中说。

    当年的“200号”条件之艰苦自不必多说。吃住都在马棚里。那里还流传着一个“二两坡”的笑谈:从清华园到虎峪村要先坐火车,再走十里山路。师生们开玩笑称那段山路为“二两坡”——爬一次坡能消化二两馒头。

    更难的是科研上的硬骨头。“当时反应堆这门课程并没有教材,只能从实践中摸索。”王大中曾回忆,而且各国对反应堆的研究保密,我们谁也没有见过反应堆,摆在面前的只有苏联的不完整图纸。

    17个供应系统,数千个机器零部件,几百台仪器设备,二十万米管线,屏蔽试验反应堆的设计和建造对于当时一穷二白的新中国来说,其难度可想而知。

    但高喊“用我们的双手开创祖国原子能事业的春天”的年轻人们硬是扛过来了。

    1964年秋天,“200号”迎来了丰收的季节。我国第一座自行设计、建造的核反应堆——清华大学屏蔽试验反应堆成功建成。

    作为其中的骨干成员,王大中和同事同学们从做工程模型开始,了解反应堆结构和系统。他们从“马粪纸”模型做起,再到“三合板”、玻璃模型,逐渐搞清楚反应堆堆芯、各种工艺系统和建筑结构。

    他还负责筹建了反应堆热工水力学实验室。来之不易的成功让王大中深刻体会到攻克难关的喜悦和意义。

    始终葆有严谨细致的作风

    选定方向后,除了实事求是、按科学规律办事,严谨细致的作风也是成功的关键。

    对王大中来说,同样如此。

    “我的办公室就是他原来的办公室,我现在还能看到他1986年带着团队去德国访问的记录。”张作义说,上面的标注密密麻麻。

    王大中严谨为学、一丝不苟的治学态度影响了一大批年轻人。他曾经的博士生石磊已经是清华大学核研院副院长。

    他记得,彼时,王大中还是清华大学的校长,工作非常繁忙。“但是当他修改完我的博士论文后,找我一章一节、一段一句仔细讨论时,望着那满篇都是王老师亲自修改痕迹的论文,听着王老师耐心的讲解,我深受触动。”石磊说,老师连文字标点、图标符号的错误,都一一指了出来。

    在工作中,他让人看到大手笔,也让人体会到他对细微处的操心:他曾经把厚重的国外大学的信息资料一本本带回学校;也曾经收集了厚厚一叠新年贺卡交给清华大学新闻中心,希望他们也能把清华的新年贺卡设计得更典雅一些,而清华后勤搞房屋装修的职工更是对他在色彩和格调上的高标准颇有体会。

    王大中具备老一辈科学家生活简朴、淡泊名利等可贵特质,同时也多才多艺、乐观开朗。

    他曾是学生舞蹈队的主力,难度很高的鄂尔多斯舞跳得极其出色。十年前的清华百年校庆晚会上,王大中与清华舞蹈队新老舞蹈队员共跳鄂尔多斯舞的场景让他的学生们印象深刻。

    女儿王奕眼中的王大中则更生动有趣:“小的时候,教我学骑自行车,夏天带着我到山里的水库中教我学游泳,冬天在清华荷花池教我学溜冰,记得有一年还带着我做了各式各样新颖的贺年卡。爸爸也鼓励我勇于去尝试新鲜的事物。”

    无论是作为科研团队带头人,还是一校之长,王大中对事业尽心尽责,虑远谋近、呕心沥血,始终葆有强烈的责任意识和担当精神,他的远见卓识、崇高品格赢得了广大师生和业界的高度赞誉。青年学生们亲切地称他为“一位真正让人尊敬的慈祥长者”“一位务实而严谨的掌舵人”“一个称职且兼爱的校长”,他们眼中,王大中校长“永远是清华人的榜样”。

    王大中,中国科学院院士,国际著名的核能科学家、教育家。历任清华大学核能所研究室主任、所长,核研院院长、总工程师,清华大学校长等职务。

    他领导清华大学核能研究团队以提高核能的安全性为主要学术理念,走出了我国以固有安全为主要特征的先进核能技术从跟跑、并跑到领跑世界的成功之路。

    他主持研究、设计、建造、运行成功世界上第一座5MW壳式一体化低温核供热堆;主持研发建成了世界第一座具有固有安全特征的模块式10MW高温气冷实验堆,并积极推动以上两种先进反应堆技术的应用。

    王大中院士曾先后以第一完成人身份获得国家科技进步奖一等奖两次、国家教委科技进步特等奖、何梁何利科学与技术进步奖、国家级教学成果特等奖、全国“五一劳动奖章”等多项荣誉。

    (来源:科技日报)

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