王大中与清华大学的核能研究.pdf

75卷3 期582023年5 月科学SCIENCE王大中与清华大学的核能研究游战洪刘年凯李玉箫王大中主持研究、设计、建造了世界首座一体化自然循环压水堆和世界首座具有固有安全特征的模块式球床高温气冷堆。他带领团队走出了中国第四代先进核能技术从跟跑、并跑到领跑世界的成功之路2021年1 1 月3 日，中国2 0 2 0 年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开，第十届全国政协常委、清华大学原校长、清华大学核能技术设计研究院原院长兼总工程师王大中院士荣获“国家最高科学技术奖”。建堆建人1953年夏，王大中从南开中学高中毕业，考人清华大学机械系。1 9 5 5 年秋，清华大学从各系二年级中选出46 位优秀学生到工程物理系（简称工物系），组成物八班。王大中从机械系调入物八班，成为工物系第一批学生。到了高年级分专业时，王大中并没有像其他成绩优秀的同学那样选择核物理专业，而选择了反应堆专业，并将其作为自己毕生钻研的主攻方向。1 9 5 8 年7 月，王大中大学毕业，成为中国第一批原子能专业毕业生。他留校工作，首先参加了清华大学屏蔽试验反应堆的设计与建设。屏蔽试验反应堆为设计新的原子反应堆（特别是动力堆）以及防放射性的国防与工业建筑提供屏蔽设计的数据。此外，还附设一座零功率实验反应堆，供新设计的原子反应堆做物理模型实验。当时从苏联进口了两套轻水实验堆元件，其中一套由教育部拨给清华大学，计划在校内建设一座功率为2 0 0 0 干瓦的轻水屏蔽实验堆。工物系副主任兼反应堆教研组组长吕应中，带领一支以清华大学工物系年轻教师和高年级学生为骨干、平均年龄只有2 3 岁半的百来人科研队伍，在政治运动不断、经济特别困难、没有中外专家指导、经验缺乏、器材匮乏的艰难条件下，排除各种干扰和困难，一举建成屏蔽试验反应堆。1 9 6 0 年3 月5 日，屏蔽试验反应堆（代号“9 0 1 堆”）工程正式破土动工。1 9 6 4年9 月2 0 日，零功率反应堆首次启动，一次成功运行。9 月2 7 日，屏蔽试验反应堆手动启动一次成功，1 0 月1 日自动启动再次成功。这是中国科学家和工程师自主设计、建造、安装和成功运行的原子反应堆，在多用途设计、自动化程度和安全性能方面超过了外国原参考设计的水平，为新中国核能事业发展培养了一批能“真刀真枪”设计、建造、运行、操作核反应堆的专业技术人才。由于保密需要，由9 0 1 堆发展成的核能研究基地最初叫做清华大学试验化工厂（简称试化厂）；1 9 7 9 年改名为核能技术研究所（简称核能所）；1 9 9 0 年更名为核能技术设计研究院（简称核研院）；2 0 0 3 年改名为核能与新能源技术研究院。由于最初的工程代号为“200”，清华人一直称核研院为“2 0 0 号”。王大中作为青年科研骨干，在建设屏蔽试验反应堆的过程中，按照蒋南翔校长当时强调的“建堆建人，在实战中成长”“敢想敢干敢转行”要求，从做模型、跑材料、土建安装到调试运行，全程参与建堆。从反应堆物理设计，到反应堆零功率物理实验，再到反应堆热工水力学设计与实验，他边干边学，每次都创造性地完成WeChat:kexuemag59ORIGIN&DEVELOPMENT科学源流200号的年轻建设者（1 9 6 0，核研院历史资料照片）了任务。通过实践历练，他拓宽了专业知识领域，掌握了核反应堆理论分析方法及实验研究的技能，锻炼和提高了解决工程实际问题的能力。屏蔽试验反应堆建成后，吕应中带领2 0 0 号的科研骨干，信心百倍，开始研究和设计新型反应堆。但好景不长，“文化大革命”席卷全国，清华大学首当其冲，200号的科研工作被迫中断，吕应中被转到北京卫成区关押，王大中与其他技术骨干也受到冲击。1968年，吕应中在狱中动手设计出一种先进反应堆一一增殖堆。增殖堆采用中国储量丰富的核燃料针，生产出的核燃料比消耗掉的核燃料多。1 9 6 9 年，他通过当时的工宣队向中央上交关于研究“针增产堆”的建议。建议引起中央的重视，周恩来总理先后作两次批示。中央后采用吕应中的建议，决定在清华大学200号建设针增殖堆，代号“0 3-8 2 0”工程。“820”工程的目标是建成一座针增殖堆核电站，设计热功率1 0 万干瓦，电功率2.5 万干瓦。针增殖堆是用-2 3 5 做燃料，利用铀裂变产生的剩余中子使针-2 3 2 转变为一种新的可裂变核燃料一一铀-2 3 3。工程于1 9 6 9 年底开始，2 0 0 号集中力量，开展科研与设计。1970年底，学校从江西鲤鱼洲农场调回下放劳动的部分教职工，参与“8 2 0”工程建设。王大中于1 9 7 1 年年中被调回，最初负责建立铅铋合金的热工实验回路，后担任反应堆总体室主任。“820”工程上马时，选择铀-铋堆方案。该方案采用熔融的铀一铋合金做堆芯燃料，含针的氯化物熔盐做增殖层。1 9 7 2 年，铀-铋堆方案改为熔盐堆方案，燃料改为氟化铀-氟化针-氟化锂-氟化铍由于熔盐堆的关键技术仍难以攻克，1974年又将针增殖堆改为双球气冷堆方案。“8 2 0”工程从1 9 7 0 年上马到1976年，终因关键技术未能突破，国家计委和建委于1 9 7 9 年决定工程停建。事后，王大中总结认为，“8 2 0”工程天折的首要原因是对针增殖堆研发难度的估计不足。当时确定的工程目标过高，限期工程过短，致使项目难以完成。实现了一个奇迹高温气冷堆是1 9 6 0 年代开始发展起来的一种先进的反应堆，以氢气做冷却剂、耐高温的石墨材料为慢化剂，堆芯温度限值高达1 6 0 0，出口温度可达950,能获得更高的发电效率。相比之下,压水堆核电站一回路压力壳冷却剂出口温度约3 2 5，进口温度约2 9 0；二回路蒸汽温度2 7 5 2 9 0，发电效率33%34%。高温气冷堆出来的氢气直接推动氮气透平发电，其发电效率可达45%47%，高于重水堆和轻水堆。1980年，联邦德国科学家提出新一代模块式高温气冷堆概念，技术特点有：小型化，通过降低单堆的功率和功率密度，使反应堆在任何事故情况下，都可以将堆芯剩余发热通过导热和辐射载带出去，具有固有安全特性；模块式，把反应堆设计成一个中小型的标准堆（如热功率为2 0 万干瓦），便于在工厂中高质量地批量加工制造，当需要建设一个大的核电站时，可把多个反应堆并联起来，经济且灵活；球床堆芯，用球形燃料元件组成反应堆堆芯，可随时连续装卸核燃料，无需定期停堆拆卸更换燃料元件，提高了核电站的可利用率以及反应堆的功率输出和安全性。核能所最早接触高温气冷堆的是吕应中。1 9 6 6 年，英国主办高温气冷堆国际会议，清华大学派代表团参加。吕应中作为副团长参会，开始了解高温气冷堆，并在会上结识联邦德国核能专家、于利希核研究中心反应堆75卷3 期602023年5 月SCIENCE科学苏尔登（着西装者）与全体学员合影（1 9 7 9，核研院历史资料照片）发展研究所所长、“球床高温气冷堆之父”苏尔登（R.Sculten，1 9 2 3 一1 9 9 6）博士。“8 2 0”工程改为双球气冷堆方案后，吕应中开始研究和部署高温气冷堆的一些关键技术，如包覆颗粒燃料元件，铀、针燃料后处理，氮气发电等。1 9 7 9 年，苏尔登应邀来核能所讲学，推动了高温气冷堆在中国的研究与中德技术合作。他除讲授高温气冷堆的基本知识外，还着重介绍联邦德国设计、建造与运行高温气冷堆的主要经验与教训，并表示愿意接受核能所四位科学家到于利希核研究中心工作，学习高温气冷堆计算机程序等1980年下半年，王大中获联邦德国洪堡奖学金，去亚琛工业大学进修高温气冷堆专业。他先在德国歌德学院学了四个月的德语，1 9 8 1 年1 月，到达于利希核研究中心。1979年3 月2 8 日，美国三哩岛核电站发生堆芯熔化的严重事故，在国际核能界引起很大的震动。该事故直接影响王大中进修的课题方向，他在苏尔登开出的四个研究课题中，果断选择了“模块式中小型高温气冷堆的设计和研究”。之所以选择模块式高温气冷堆，就是因为该堆型具有固有安全性，堆芯几乎不会熔化。王大中在分析模块式中小型高温气冷堆的固有安全性时，很快发现一个弱点，就是反应堆做得较细长，功率较小，当时单堆热功率最高只能达到2 5 万干瓦。导师苏尔登明确告知不可能提高模块式中小高温气冷堆的单位功率，但王大中仍坚持研究如何在不超过1 6 0 0 的情况下扩大功率。他做了一百多个方案的设计、计算、分析，凭借国内跟同事一起研究针高温气冷增殖堆双区球床堆芯方案时积累的经验，提出双区球床堆的新概念环形堆芯模块式高温气冷堆，堆芯最热的内环用石墨球代替燃料球，外环全部布置燃料球，使模块式高温气冷堆的设计功率一下子提高到5 0 6 0 万千瓦有了设计概念和理论模型后，下一步就是计算分析。当时联邦德国有关石墨研究的模型有很多，联邦德国电气中心拥有欧洲尖端的计算机和成套的软件，对外国学者开放。王大中充分利用这个有利条件，为确定石墨环形布置能降低多少温度进行了大量的计算分析。苏尔登对这个结果十分赞赏，兴奋地说：“过去认为单堆功率提高1 0%就很不容易了，现在你的设计一下子提高了一倍多，这是很了不起的，应该申请发明专利。”王大中马上向吕应中汇报，清华大学支持他申请专利。经苏尔登推荐，专利“一种在严重事故下具有安全自稳定性的球床核反应堆”很快获得联邦德国专利局的批准，并且分别向美、英、法、日、意、苏等国专利局进行了登记。于利希核研究中心设有专利办公室，他们出钱支持王大中申请专利，且明确了中国完全有权利使用这项专利，专利发明人就王大中一人。联邦德国报纸报道说：“中国人实现了一个奇迹！”申请完专利后，苏尔登建议王大中在这个基础上撰写论文。经向学校汇报请示后，王大中接着进行环形球状堆的概念设计。反应堆设计是综合性的工作，包括中子物理计算、热工水力学设计与计算、堆芯结构设计及主要设备的选型等，通常需要物理、热工、结构、设备等多方面的专家共同合作才能完成。五个月夜以继日地工作，他独自完成了反应堆设计，打印结果的程序纸穿孔折叠起来有三米多高。WeChat:kexuemag61ORIGIN&DEVELOPMENT科学源流苏尔登等专家对此设计感到十分满意，建议王大中把这项成果写成博士论文。王大中用德文写作、答辩，并以“全优”成绩通过论文答辩。1 9 8 2 年9 月，他获得亚琛工业大学自然科学博士学位。从跟跑、并跑到领跑1982年1 0 月，王大中回国，在清华大学担任核能所副所长，主持对原有屏蔽试验反应堆的技术改造，以及低温核供热试验。1 9 8 3 年1 1 月1 4日，改造后的屏蔽试验堆低温供热系统投入运行，对核能所三座实验大楼共1.6 2 万平方米的建筑面积进行供暖。供暖持续5 0 多天，现场监测表明，核供热对环境并无污染。1 9 8 4年2 月2 1 日，这项实验成果通过技术鉴定，国家教委技术鉴定委员会一致认为：“清华大学核能技术研究所利用反应堆的余热供暖，在技术上是可行的，运行是安全的，供暖效果良好。这次实验的成功，在国内首次实现了实验规模的核供热，开辟了一条核能应用的新途径，对进一步发展地区性的工程规模的低温核供热起了一定的促进作用。”1980年代中期，王大中主持设计与研制成功5兆瓦低温核供热堆，该堆具有一体化、自稳压、自然循环冷却、非能动余热载出等先进特性。5 兆瓦堆于1986年3 月开工建造，1 9 8 9 年1 1 月建成投人运行。低温供热堆工作压力1.5 兆帕，堆芯出口温度1 9 8，三回路供水温度可达1 5 0。1 9 8 9 1 9 9 2 年，连续三年为清华大学核研院5 万平方米的建筑物供暖，成为世界上第一座投入运行的一体化自然循环壳式低温核供热堆。它不仅可用于民用采暖，而且在工业上的应用前景广阔，例如同时兼顾工业用汽的需要、低温发电，热电联供、建筑物大面积制冷、海水淡化等。1 9 9 0 年，国内首次评选“十大科技新闻”，5 兆瓦低温核供热堆入选；1 9 9 1 年获国家教委科技进步特等奖；1 9 9 2 年获国家科技进步一等奖。1 9 9 5 年3 月5 日，低温核供热堆作为取得突破性进展的五项重大研究项目之一，被列入政府工作报告中。1985年，王大中出任清华大学核能所所长；1 9 9 1 年起担任清华大学核研院院长；1 9 8 7 1 9 9 3 年，担任国家“8 6 3”高技术计划能源领域的首席科学家，具体领导研究、设计1 0 兆瓦模块式高温气冷堆。1 9 9 2 年，经国务院批准，1 0 兆瓦高温气冷堆正式立项，1 9 9 5 年开工兴建，2 0 0 0 年建成达到临界，2 0 0 3 年完成7 2 小时满功率并网发电运行。该堆是世界首座投入运行的模块式球床高温气冷实验堆，采用模块式高温堆设计概念和“肩并肩”式设计布置、非能动衰变热载出系统、包覆颗粒球形元件与新型燃料元件装卸系统、全数字化控制与保护系统，具有良好的固有安全性。2 0 0 3 年2月2 7 日，1 0 兆瓦高温气冷实验堆通过教育部组织的科技成果鉴定，鉴定意见认为：“1 0 兆瓦高温气冷实验堆的建造是在长期大量科学研究工作的基础上，充分吸取国际上先进经验，自行研究开发、自主设计、自主制造、自主建设、自主运行的世界上第一座具有非能动安全特性的模块式球床高温气冷堆。1 0 兆瓦高温气冷实验堆的建造成功标志中国在高温气冷堆技术领域已达到世界先进水平，是中国自主研究和开发先进核电技术取得的一项重大成果，为中国以及世界核能事业的发展做出了重要的贡献。”1993年，王大中当选中国科学院学部委员。1994一2 0 0 3 年，任清华大学校长，与学校党政领导班子带领全校师生员工，按照“综合性、研究型、开放式”的总体办学思路以及“三个九年，分三步走”的总体发展战略，加快清华大学建设世界一流大学的步伐。其间，清华大学基本完成综合性学科布局，研究型大学初具规模，开放式办学态势初步形成，人才培养质量持续提高，学校总体办学实力、科研实力以及国内外影响力显著增强，这是清华大学史上发展最快的时期之一。任清华大学校长期间，王大中仍兼任核研院总工程师，直到2 0 0 7 年才卸任。他始终参与1 0 兆瓦高温气冷实验堆的重要工作。2 0 0 3 年4月，从清华大学校长岗位退下后，他受聘参加制订国家中长期科学和技术发展规划纲要（2 0 0 6 一2 0 2 0 年），担任“能源、资源与海洋”专题战略研究组组长，主持领导有关领域专家完成该专题的战略研究报告，提出“2 0 3 5 年前后中国成为核大国”的战略目标。2006年2 月，“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”被列为国家中长期科学和技术发展规划纲要（2 0 0 6 一2 0 2 0 年）1 6 个重大专项之一。2 0 1 2 年1 2 月，高温气冷堆核电站示范工程在山东石岛湾正式开工兴建。2 0 2 1 年9 月1 2 日，华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1 号反应堆首次达到临界状态。1 2 月，清华75卷3 期622023年5 月科学SCIENCE大学与中国华能集团、中国核工业集团共同研发建设的全球首台具有固有安全性的模块式高温气冷堆核电站并网发电，在世界范围内率先完成第四代核电技术落地，实现了中国在该领域从跟跑、并跑到领跑的飞跃。培育中德友谊之花王大中不仅在核反应堆工程与安全领域取得了令世界瞩目的辉煌成就，任清华大学核能所所长、核研院院长和校长期间，还在促进中德两国的科技交流、发展中德友好关系方面，同样留下许多佳话。1989年，清华大学5 兆瓦低温供热堆成功临界运行后，弗莱厄（H.Frewer）博士发来贺电称：“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，同时对解决在中国以及其他很多国家存在的污染问题方面也是一个重要的里程碑。”联邦德国西门子电站联盟反应堆概念及发展部高级经理戈兹曼（G.A.G o e t z m a n n）也发来贺电：“你们的试验供热堆是世界上第一座这种类型的模式堆这种类型核供热站将为缓解中国的煤炭运输压力，并以较低廉的价格提供不污染环境的清洁能源等问题做出重大贡献。”1986年4月2 6 日，苏联切尔诺贝利核电站发生堆芯熔化的严重事故，大量放射性物质外逸。到1 9 8 0 年代末，高温气冷堆在全世界的发展面临非常困难的局面。德国当时也取消了所有先进反应堆的发展计划，包括高温气冷堆、快中子反应堆等。1 9 9 0 年9月，于利希研究中心根据1 9 8 5 年与清华大学核能所签署的合作进行高温气冷堆技术研究的协议，将一批关键设备包括试验回路氮风机、气净化系统、高压氮气压缩机、高压氢气罐及氢气阀门等40 项5 4台件，无偿赠送并运抵核能所。经过多年努力，1 9 9 5 年5 月1 0 日，在中国外交部、外经贸部、国家科委、核工业总公司和国9王大中（左）为德籍博士生戈茨曼授予博士学位（1 9 9 9，王呈选摄）家核安全局的大力支持、指导和帮助下，在德国友好人士的协助下，经巴黎统筹委员会批准，德国核化学冶金公司无偿赠送给清华大学核研院的高温气冷堆燃料元件全套制作设备安全运达。这套燃料元件制造设备的成功引进，对于保证1 0 兆瓦高温气冷堆的建成，具有重要意义。1995年7 月，德国核能专家戈茨曼（C.A.Goetzmann）退休后，给王大中写了一封要在清华大学核研院攻读博士学位的申请信。他在信中写道：“您可能会惊诉，我为什么选择了贵校核研院？我对这个问题的答案有两点。一是基于在开发中国供热堆的早期工作中，我与核研院的许多专家有过很广很深的技术联系。对我有吸引力的是，核研院的声誉和其不同学科的专家之间的合作。在我看来，与他们一起工作，配合得比我渴望的以及我所经历的许多还要好。第二个原因就是，我坚信中国在下个世纪将在世界上起到非常重要的作用，能有机会见证这一发展并为此做些工作，不管多么小，也必将给我很大的满足。”在王大中的指导下，他选择了低温堆技术扩展的技术选择作为博士论文主题。经过三年，他完成了博士论文，论文对提高中国小型沸水堆的经济性做了很多分析，论证了“规模经济”的适用条件，并提出了不少新的设计理念，比如靠反应堆的设计特性减少安全系统王大中担任清华大学校长期间，清华大学与亚琛工业大学开始合作举办“共同研究、共同学习”双硕士学位联合培养项目，这是清华大学与国外高校间开展的首个双学位项目，1 9 9 9 年，中德双方教育部部长签署协议，自2 0 0 1 年正式启动项目。（作者游战洪系清华大学图书馆副研究馆员，刘年凯系清华大学科学史系助理教授，李玉箫系清华大学电子工程系2018级直博生。）关键词：王大中清华大学核能研究先与王荣获2 0 2 0 年度国家最高科学技术奖进中2021年1 1 月3月王大中院士在人民大会堂大核国电第家砖高科子技术灸证书技四术代清华大学屏蔽试验反应堆（1 9 9 4,王呈选摄）王大中（左）、董铎（右）、马昌文（中）检查5兆瓦低温核供热反应堆堆内构件（1 9 8 9，王呈选摄）山东华能石岛湾高温气冷堆核电站全景（清华大学提供）为人民服拐2021年9 月1 2 日，王大中（中）、吴宗鑫（左）、张作义（右）在山东石岛湾高温气冷堆示范现场（清华大学提供）2002年4月1 1 日，王大中（前排左3）在清华大学工字厅会见亚琛工业大学学生代表团成员（杜胜勇摄）