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2020年度國家最高科學技術(shù)獎獲得者王大中：讓核能安全固若金湯

2021-11-04 09:02:20 來源：經(jīng)濟日報

今年86歲的王大中院士，是一位瘦削而謙和的老者。在他的帶領(lǐng)下，清華大學核能研究團隊歷經(jīng)幾代人，勇攀核能安全利用高峰，將“固有安全”的核反應(yīng)堆，從外國人眼中的“神話”概念，變成中國人手下的“現(xiàn)實”杰作！

“科研如登山，過程充滿困難、挫折和風險?？朔@種困難需要有悟性、勇氣和韌勁。”作為國家最高科學技術(shù)獎獲得者，王大中表示，“科研工作是崇高的事業(yè)，值得用一輩子去追求和奮斗”。

韌勁：自強不息的奮進

在王大中看來，韌勁就是遇到挫折時，堅韌不拔、百折不撓的勁頭。

這種韌勁，使他在少年時代嶄露頭角。

他年少時在天津讀書，南開中學是他從小向往的名校。但1947年小學畢業(yè)時，因天降大雨錯過了南開中學報名時間，只好先進入別的中學讀書。1949年3月南開中學招插班生，王大中已讀到初二下學期，得知消息后馬上報考，獲得錄取。

1953年，王大中報考清華大學，進入機械系學習。為了發(fā)展中國原子能事業(yè)，清華大學1956年成立工程物理系，從校內(nèi)選拔一批優(yōu)秀學生轉(zhuǎn)入該系，品學兼優(yōu)的王大中首選入圍。

王大中在彭桓武、朱光亞等大師的課堂中體會到了物理世界的玄妙，又在一部介紹核電站的科教片中感受到核工程的宏偉，由此樹立自己的科研志向，在高年級分專業(yè)時選擇了反應(yīng)堆工程專業(yè)。

這種韌勁，使他在青年時代融入集體。

1958年，王大中畢業(yè)留校。當時清華大學提出自行設(shè)計建造2000KW（千瓦）屏蔽試驗反應(yīng)堆。方案得到國家批準，基地選址燕山腳下。

17個供應(yīng)系統(tǒng)，數(shù)千個機器零部件，幾百臺儀器設(shè)備，20萬米管線……技術(shù)上所有人都很陌生，屏蔽試驗反應(yīng)堆的設(shè)計和建造對于當時一窮二白的新中國來說，是一項異常艱巨的任務(wù)。研發(fā)隊伍平均年齡只有23歲半，沒人見過真正的反應(yīng)堆。師生們在呂應(yīng)中教授的帶領(lǐng)下，從做“馬糞紙”工程模型開始，用幾十臺手搖計算機進行設(shè)計計算，經(jīng)過6年奮斗，于1964年成功建成反應(yīng)堆。在這個堅韌的集體中，王大中既參與了物理設(shè)計、實驗、調(diào)試運行，又做模型、挖地基、搬磚頭，經(jīng)受全面鍛煉，成長為具有工程實踐經(jīng)驗和戰(zhàn)略思維的領(lǐng)頭人。

這種韌勁，使他在中年時代放眼世界。

1980年秋，45歲的王大中獲得德國洪堡獎學金資助，赴德進修。他先在弗賴堡的歌德學院學了4個月德語，次年1月進入聯(lián)邦德國于利希核研究中心，師從蘇爾登教授。

這個超齡學生，很快就給“球床堆之父”蘇爾登教授帶來了驚喜。

王大中選擇當時最前沿的“模塊式高溫氣冷堆”方向，提出環(huán)形堆芯的新概念，將單堆功率從20萬KW提高到50萬KW。這一發(fā)明，后在德、美、英等國獲得發(fā)明專利權(quán)。他以此成果寫出90余頁德語論文，以全優(yōu)成績通過答辯，于1982年9月獲得聯(lián)邦德國亞琛工業(yè)大學自然科學博士學位。

短短兩年，學會一門陌生的語言，并在以嚴謹著稱的德國大學里拿下博士，王大中的韌勁創(chuàng)造了一個小小的奇跡。而未來更大的奇跡，也于此萌芽。

悟性：“固有安全”的實踐

讓王大中拿下博士學位的模塊式球床高溫氣冷堆研究，成為他此后一以貫之的研究方向。這種核反應(yīng)堆的最大優(yōu)勢，是可以實現(xiàn)核反應(yīng)堆的“固有安全”！

“固有安全”概念最初于1956年由美國著名核科學家泰勒提出：要使公眾接受核能，反應(yīng)堆安全必須是“固有的”。他還提出一個驗證實驗：抽出所有控制棒！抽出所有控制棒而堆芯不熔毀，設(shè)計才足夠安全。

紙上談兵易，真刀真槍難。固有安全是核安全終極目標，但實際從未實現(xiàn)，沒人敢做抽出所有控制棒的實驗。

1982年10月王大中回國，不久被任命為清華大學核能所副所長，1985年任所長，在1991年核能所改為核研院后又任院長至1993年。1994年王大中擔任清華大學校長職務(wù)，但仍兼任核研院總工程師至2007年。

實現(xiàn)核能安全目標遠大，考慮到現(xiàn)實可行性，王大中以“跳起來摘果子”的原則來設(shè)定階段目標。“目標過高或過低，只能無功而返或達不到預(yù)期成果；跳起來摘得著，才是適度的高標準，設(shè)法使自己跳得高一些，摘到果子后，再瞄準新的高度。取度合適，才能實現(xiàn)勇于創(chuàng)新與務(wù)實求真的結(jié)合”。

第一個臺階，5MW（兆瓦）一體化自然循環(huán)水冷堆，非能動安全。第二個臺階，10MW高溫氣冷堆，固有安全。王大中擇定的這兩條技術(shù)路線，完成后分別占領(lǐng)了核能安全領(lǐng)域低溫堆和高溫堆兩個方向的制高點，實現(xiàn)了領(lǐng)跑世界的創(chuàng)新。

勇氣：無人區(qū)里的跋涉

改革開放之初，德、美、日的先進核能技術(shù)遠遠領(lǐng)先，而我國基礎(chǔ)薄、投入少，缺乏人才和經(jīng)驗。面對巨大的實力差距，王大中毫無退意。

“我們就是要敢于嘗試，敢于選擇科技領(lǐng)域的無人區(qū)。”王大中說。

他勇于在無人區(qū)里率先垂范。

1985年，王大中主持國家“七五”重點科技攻關(guān)項目“5MW低溫核供熱堆”研究。該堆于1989年建成并投入運行。在技術(shù)路線上，王大中選擇了殼式一體化自然循環(huán)水冷堆。5MW低溫堆成為世界上首座一體化自然循環(huán)水冷堆，具有良好的非能動安全性，被實際應(yīng)用于清華大學核研院的冬季供暖和夏季制冷。

王大中在上世紀80年代擇定的這個方向，成為本世紀國際上小型輕水核反應(yīng)堆發(fā)展的主要技術(shù)方向之一。

在國家“863”計劃支持下，王大中帶領(lǐng)團隊開啟10MW模塊式球床高溫氣冷堆研發(fā)。

高溫氣冷堆需要“耐高溫全陶瓷”的包覆顆粒球形核燃料元件，制造難度極高。燃料球直徑6厘米，包含8000多個四層包覆結(jié)構(gòu)、直徑0.9毫米的燃料顆粒，產(chǎn)品要經(jīng)過嚴苛的質(zhì)量標準檢驗，可耐受1600攝氏度高溫，能把放射性物質(zhì)牢牢包容在其中。

當時有人提出燃料球技術(shù)可從國外購買，王大中與團隊經(jīng)過反復(fù)研究，決定自己做。

從1987年到1990年，高溫氣冷堆球形燃料元件、球床流動特性、氦技術(shù)及氦設(shè)備等8項關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破。1992年，國務(wù)院批準立項，在清華大學建設(shè)10MW高溫氣冷實驗堆。它是世界首座模塊式球床高溫氣冷實驗堆，1995年動工，2000年建成，2003年并網(wǎng)發(fā)電。

他帶領(lǐng)的團隊創(chuàng)造了世界奇跡。

10MW高溫氣冷堆突破數(shù)10項核心關(guān)鍵技術(shù)，其中15項達到國際先進水平，在實驗堆的規(guī)模上實現(xiàn)了固有安全，具有三大創(chuàng)新特性：一是模塊式反應(yīng)堆設(shè)計，二是自主研制耐高溫全陶瓷包覆顆粒燃料元件，三是實現(xiàn)反應(yīng)堆不停堆在線換料。

2004年9月，國際原子能機構(gòu)組織24個國家60余位科學家見證了“不插入控制棒下反應(yīng)堆喪失冷卻”的安全試驗。2005年7月，在10MW高溫堆上，成功完成了抽出所有控制棒且疊加不緊急停堆的實驗。這是世界上迄今僅有的在實際反應(yīng)堆上進行的此類安全驗證實驗，成功地驗證了高溫堆的固有安全性。

5MW低溫核供熱堆和10MW高溫氣冷堆分別獲得1992年和2006年國家科學技術(shù)進步獎一等獎，王大中均為第一完成人。

使命：厚德載物的傳承

以兩座實驗堆破解了核能安全的世界難題后，王大中定下新目標：從實驗堆向工業(yè)規(guī)模原型堆跨越。他指導團隊積極探索產(chǎn)學研融合之路，使先進核能技術(shù)成果獲得了重大應(yīng)用。

2006年“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”被列為國家16個科技重大專項之一，擬在山東榮成建設(shè)一座200MW高溫氣冷堆核電站示范工程，為發(fā)展工業(yè)規(guī)模的第四代核電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。新一代的清華核能人此時也已成長起來，王大中弟子張作義被任命為高溫氣冷堆核電站重大專項總設(shè)計師。

今年9月12日，該示范工程首次實現(xiàn)臨界，預(yù)計年內(nèi)即可實現(xiàn)發(fā)電目標。

這是世界首座工業(yè)規(guī)模的模塊式球床高溫氣冷堆核電站。通過示范工程的研發(fā)建設(shè)，我國形成了模塊化高溫氣冷堆技術(shù)與產(chǎn)業(yè)體系，成為全球高溫氣冷堆的領(lǐng)跑者。

回首來路，創(chuàng)新充滿艱辛。核能安全創(chuàng)新必須跨過現(xiàn)代核安全監(jiān)管最嚴苛的超高門檻，這會導致人力和資金投入大量增加。三哩島事故后，西方國家至今沒有建成一座創(chuàng)新型的反應(yīng)堆，主要原因就是無法跨過技術(shù)、工程與核安全審查門檻?？吹街袊某晒?，國際上的領(lǐng)軍科學家曾感嘆：“先進核能項目能否成功不在于誰更聰明，而在于誰更能堅持?！?/p>

從王大中考入清華大學算起，時光已過去68年。68年間，王大中實踐著清華校訓“自強不息，厚德載物”的精神，將為國爭先的使命感傳承給后來的清華人，鍛造出一支知難而進、眾志成城、能打硬仗的核能研究團隊，走出了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑世界的成功之路。

正如王大中所說：“科技創(chuàng)新是我們最主要的愛國方式。只要每個人都堅定信心，勇敢向前，我們的國家就會有無限光明的未來?！保ń?jīng)濟日報記者佘惠敏）

標簽：固若金湯核能獲得者