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走近西安交通大学核工程计算物理实验室NECP团队


发布时间:2022-06-26 07:27:14    作者:kb体育官网   来源:kb体育

  2021年1月30日,全球第一台“华龙一号”核电机组——中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行,标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列,成为世界上为数不多的真正掌握自主三代核电技术的国家。“华龙一号”首堆所有核心设备均已实现国产,所有设备国产化率达88%,完全具备批量化建设能力。

  2020年10月21日,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“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NECP团队(简称“NECP团队”)自主研发的核电工业软件成功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,并为核电机组的安全运行保驾护航。

  “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、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。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教授表示。

  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,终于取得突破,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。

  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。

  吴宏春表示,“这次应用我们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,‘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。

  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的技术垄断,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”有非常多创新之处,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,更是让万承辉大把大把地掉头发。记不清从什么时候开始,养成了沾枕头就能睡着的“好习惯”。“印象最深刻的一次是乘飞机去外地调研交流,想趁着飞机起飞前闭眼休息一下,结果再睁眼时发现飞机还在地面,后来才知道飞机已经到达目的地了。”他苦笑道。

  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,“每天都可以朝心里的目标一点点靠近,这样的工作激情给了团队很大的支撑。”

  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。

  此外,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恰恰印证了其“高保真”的特性。

  近年来,NECP团队先后承担了包括国家“973”“863”、重点研发计划、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,获国家级、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“坚强后盾”——西安交通大学核工程计算物理实验室。

  西安交通大学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。

  目前,实验室拥有教授及副教授共9人;近年来,实验室已为我国核工业培养了百余名硕士和博士毕业生,他们现已成长为各大核电集团、研究院所或国防单位的领军人才和技术骨干,一股具备核心创新能力的科研新势力,正冉冉升起。

  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。正如习总书记所言,要把论文写在祖国的大地上。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软化和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,让西迁精神变成实实在在的对国家的贡献。”



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