作者:记者 倪伟波 唐琳 来源: 发布时间:2020-12-17 20:31:10
自主创新服务中国核电安全高效发展
——走近西安交通大学核工程计算物理实验室团队

   2020年10月21日,是注定被载入中国核能事业发展史册的日子。这一天,我国自主研发的三代核电“华龙一号”全球首堆福清核电厂5号机组首次达到临界,向建成投产迈出了重要一步。

   “华龙一号”是我国具备完全自主知识产权的第三代核电技术,它是中国核电走出去的旗舰,也是我国科技走向世界的一张新“名片”。

   在此次“华龙一号”全球首堆首次启动试验中,西安交通大学核工程计算物理实验室团队(以下简称NECP团队)自主研发的核电工业软件高精度地预测了该机组首次启动的临界硼浓度,充分展示了我国核电“软实力”,成功为核电机组的安全运行保驾护航。

 

十年铸剑 自主软件初露锋芒

 

   “华龙一号”是我国具备完整自主知识产权的三代先进压水堆核电型号。压水堆通常采用硼酸溶液来控制堆芯的反应性,硼浓度直接影响堆芯性能:硼浓度过高,反应堆无法达到临界,无法正常工作;硼浓度过低,则可能引发严重的堆芯超临界事故。

   “核反应实际上是中子与原子核相互作用、通过原子核的质量亏损释放巨大能量,我们可以将核反应堆启动类比为汽车点火发动,从点火到稳定运行是最关键的过程。因此,如何精确预测堆芯临界状态下的硼浓度,对于核反应堆的安全启动至关重要。”NECP团队负责人、863项目首席科学家吴宏春向《科学新闻》表示。

   正所谓买船容易造船难。也正是为了实现真正的自主创新,NECP团队十余年来克服种种困难,潜心攻关核电关键技术,终于成功研发了具有完全自主知识产权的先进压水堆燃料管理软件“Bamboo-C”和数值反应堆确定论高保真计算软件“NECP-X”。

   此次福清核电厂业主公司和NECP团队采用这两套软件,背靠背地分别建立了精细的“华龙一号”计算模型,精确预测了“华龙一号”首次临界的关键安全物理量——临界硼浓度。

   吴宏春告诉记者,这次应用团队研发的软件计算出的临界硼浓度值与实测值之间的误差仅为1ppm(1ppm等于百万分之一)和9ppm,预测精度显著高于国际同类计算软件,充分展示了NECP团队研发软件在商用核电厂中实际应用的效果。

   作为我国自主研发设计的三代核电技术,“华龙一号”是目前国际上实现商用发电的最先进的堆型之一。吴宏春坦言,我国三代核电的技术水平与美国、法国等国家已基本相当,采用的研发思路更先进,在堆芯设计、系统设计等方面都有创新,且具有很高的安全系数。“此次‘华龙一号’全球首堆顺利达到临界状态是国之骄傲,非常振奋人心。”

   如今,作为中国核电走出去的旗舰,“华龙一号”已成功向巴基斯坦等国家出口,并与全球多个国家和地区建立了科技经贸关系。

 

迎难而上 掌握核心技术

 

   在我国核电不断发展的历史进程中,从设计、建造到运营均存在诸多技术难题。其中,压水堆核设计软件更是长期受到国外技术垄断,成为我国核电技术发展中的关键“卡脖子”难题。

   由于核电设计软件研发理论难度大、专业性强,我国早期投入不足,开发过程面临重重困难。而且,第三代核电技术本身就十分先进,加之我国自主研发设计的“华龙一号”又有非常多创新之处,因此没有国外现成的技术可供参考。

   但就在这样困难而艰巨的任务中,NECP团队却当起了“第一个吃螃蟹的人”,他们迎难而上,完全靠自己在摸索中前进。

   “我们不仅要突破‘卡脖子’技术,还要做得比国外更先进。”吴宏春表示,“强国不能没有核电,科技报国是我们的心愿,就是再苦再难也要突破技术难关,不能让人家卡我们的脖子。”

   罗马不是一天建成的,任何突破与成果的取得都不是一蹴而就的,核电科研攻关更是如此。至今,NECP团队成员万承辉副教授都无法忘记那段攻坚克难的艰苦时光。

   每天早上7点不到就去实验室,晚上11点之后才回家,无数个没日没夜科研攻关的日子早已成为家常便饭,强大的科研压力更是让他大把大把地掉头发。记不清从什么时候开始,养成了沾枕头就能睡着的“好习惯”。“印象里最深刻的一次是乘飞机去外地调研交流,想趁着起飞前闭眼休息一下,结果再睁眼时发现已经到达目的地了。”万承辉苦笑道。

   纵然科研攻关的过程十分辛苦,但万承辉感到非常充实饱满。“每天都可以一点点靠近心里的目标,这样的工作激情给了团队很大的支撑。”

   历经十余年“痛并快乐着”的苦心研究,NECP团队攻克了一道又一道难关,终于取得了重大突破。

   “两步法”是国际上核电反应堆设计的通用方法,但传统“两步法”存在精度和效率不足的问题。针对这些技术难题,NECP团队研发出了先进的“两步法”——具有更高的计算精确度和模型精细度,并开发了具有完全自主知识产权的先进压水堆燃料管理软件“Bamboo-C”。

   与此同时,NECP团队还研发出新一代的“一步法”。“‘一步法’目前在国际上尚处于研究的初步阶段,而我们基于更先进的理论方法,研发出的先进‘一步法’,采用了很多特殊技巧提高计算效率和精度,突破了目前计算资源的限制。”团队成员、国家优秀青年基金获得者曹良志教授欣喜地说。

   值得一提的是,此次团队采用NECP-X软件计算“华龙一号”临界硼浓度,是国际上首次将“一步法”高保真确定论计算软件用于商用核电厂数值模拟,而准确的预测结果也印证了其“高保真”的特性。

 

科技报国 把论文写在祖国大地上

 

   在核电技术领域里,NECP团队并不让人陌生。

   近年来,NECP团队先后承担了包括973、863、国家自然科学基金、国防预研等国家级科研项目50余项,共发表SCI论文200余篇,获授权发明专利50余项、软件著作权30余项,获国家和省部级科技奖励10余项。

   这支团队之所以能够屡创佳绩,离不开背后为其提供源源不断创新支撑的西安交通大学核工程计算物理实验室。

   核工程计算物理实验室成立于2004年,其前身为1958年成立的反应堆物理研究小组。实验室始终将国家责任牢记心头,立志科技报国,长期致力于核反应堆物理创新研究与关键技术攻关,为我国核能发展贡献了重要力量。

   谈及团队的优势,吴宏春自豪地说:“我们团队有四种精神——创新、进取、协作、坚持。核能研究实属不易,但无论形势如何变化,团队都始终面向国家重大科技需求,这是我们的科研兴趣所在,一定会坚持下去。”

   如今核能发展十分迅速,NECP团队对于未来也有自己的发展规划。曹良志表示,团队目前已经研发了从前端的核数据加工到后端的堆芯设计与安全分析等全套分析软件。“我们大概在10年前做出了一个重要决策,就是从早期的基础理论和方法研究转向具有工程实用价值的软件研发。对于我们来说,就是要把多年来在实验室研究出来的基础研究成果转化为能为国家核能发展所用的设计分析软件。”

   除了上面提到的Bamboo-C和NECP-X软件以外,NECP团队还自主研发了适用于快堆物理设计的NECP-SARAX软件、适用于屏蔽设计的NECP-MCX软件和核数据处理软件NECP-Atlas等。

   “当前的核电设计基本都使用美国和法国的软件,不过中国现在已经有了自主知识产权的软件了,如果国外软件被限制使用,我们的软件也完全能胜任所有的设计计算工作,甚至可以做得更好。”曹良志说。

   下一步,NECP团队计划将所有软件全部推向更广泛的工程应用。“我们想做的事就是让中国的核电站甚至外国的核电站都用我们的软件,希望我们的软件能有更多用户,让大家看到中国的核电技术也很棒。”吴宏春自信地表示,“未来,我们将依托中国西部科技创新港,继续从基础科学研究转向产品化,我们要让自己的科研产生实际意义,让‘西迁精神’变成对国家实实在在的贡献。” ■

 

 

《科学新闻》 (科学新闻2020年12月刊 教育)
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