加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān) 推進(jìn)我國(guó)核電事業(yè)發(fā)展記上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生導(dǎo)師胡珀

◎ 文/陳 浩 王 艷

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)核科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新及核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近期又取得了令人欣喜的新成績(jī)。

2020 年9 月28 日，中國(guó)國(guó)家電力投資集團(tuán)宣布，中國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)“國(guó)和一號(hào)”完成研發(fā)?！皣?guó)和一號(hào)”，是中國(guó)十六個(gè)重大科技專項(xiàng)之一，代表著當(dāng)今世界三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平，是中核電技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的最新成果。歷時(shí)12 年科研攻關(guān)，建成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的三代核電自主創(chuàng)新體系和產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系，填補(bǔ)了中國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)和工藝空白，推動(dòng)了中國(guó)核電行業(yè)和技術(shù)整體升級(jí)換代。

“當(dāng)9 月底宣布整個(gè)專項(xiàng)完成了，我非常激動(dòng)。12 年，所有的努力、研究和團(tuán)隊(duì)合作，在這一刻都是值得的。”回憶此前得知專項(xiàng)完成的情形，胡珀依舊難掩興奮余韻。從2008 年開(kāi)始，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生導(dǎo)師胡珀積極參加了國(guó)家重大專項(xiàng)“先進(jìn)大型壓水堆核電站和高溫氣冷堆”相關(guān)項(xiàng)目的研究和攻關(guān)工作，為全面提高我國(guó)大型先進(jìn)壓水堆設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證能力，提高我國(guó)先進(jìn)核電技術(shù)的自主創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的能力，作出了重要的貢獻(xiàn)。

積極投身核工程研究，科技創(chuàng)新碩果累累

核電作為投資巨大、安全性要求極高的高科技產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)自主化離不開(kāi)強(qiáng)大的國(guó)力支撐。經(jīng)過(guò)30 多年不間斷積累的核電工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，目前我國(guó)的核電建設(shè)能力已經(jīng)走在了全球前列。

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生導(dǎo)師胡珀

目前，我國(guó)已擁有兩種自主三代核電技術(shù)，分別為“國(guó)和一號(hào)”與“華龍一號(hào)”?！皣?guó)和一號(hào)”，也稱作CAP1400，是國(guó)家重大科技專項(xiàng)之一，由國(guó)家電投集團(tuán)在引進(jìn)消化吸收國(guó)際先進(jìn)核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)，采用“非能動(dòng)”安全設(shè)計(jì)理念，單機(jī)功率達(dá)到150 萬(wàn)千瓦，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的最大功率的核電機(jī)組。“國(guó)和一號(hào)”從2008 年啟動(dòng)研制，至今經(jīng)過(guò)12 年科研攻關(guān)，由477 家單位參與整個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)，26000 多名工程設(shè)計(jì)人員參與其中，而胡珀就是其中的一員?！澳苡H身參與其中，為中國(guó)的核電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，我感到非常榮幸?！焙暾f(shuō)道。

胡珀從事核工程相關(guān)的學(xué)術(shù)研究和重大工程攻關(guān)的工作，至今已有20 年。他的主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以及安全殼相關(guān)技術(shù)研究。大型先進(jìn)壓水堆CAP1400 是國(guó)家16項(xiàng)重大專項(xiàng)之一，是在全面引進(jìn)美國(guó)西屋公司三代非能動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新的成果。非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）是第三代非能動(dòng)核電廠安全系統(tǒng)的重要組成部分，是先進(jìn)壓水堆的重要技術(shù)特征之一。CAP1400 采用了AP1000 非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)理念，通過(guò)提高堆芯功率、優(yōu)化總體設(shè)計(jì)參數(shù)，在主要安全性能指標(biāo)都不低于AP1000 的前提下，提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性。

多年來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷努力和持續(xù)創(chuàng)新，胡珀在安全殼相關(guān)的水膜換熱，氫氣安全試驗(yàn)方面作出了杰出貢獻(xiàn)。基于相關(guān)研究，2016 年胡珀個(gè)人獲“技術(shù)創(chuàng)新（儀表測(cè)量）獎(jiǎng)”，2018 年“非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)性能分析及水膜行為研究”項(xiàng)目、“CAP1400ERVC全高度下封頭外壁臨界熱通量試驗(yàn)研究”分別獲中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)，2019 年“非能動(dòng)安全殼水膜行為研究及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國(guó)家電力投資集團(tuán)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。依托學(xué)校資源，近年來(lái)他主持、參與了科技重大專項(xiàng)、青年科研基金等多項(xiàng)重要項(xiàng)目，并作出了重大貢獻(xiàn)。

開(kāi)展安全殼性能研究，保障核電站安全

2008年回國(guó)后，胡珀開(kāi)始參與“先進(jìn)大型壓水堆核電站和高溫氣冷堆”相關(guān)項(xiàng)目的研究和攻關(guān)工作，同時(shí)長(zhǎng)期承擔(dān)了多項(xiàng)該重大專項(xiàng)下轄課題，其中尤以“CAP1400 非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)性能研究及試驗(yàn)”課題下第二子課題“水膜相關(guān)關(guān)鍵試驗(yàn)”，以及“嚴(yán)重事故機(jī)理及現(xiàn)象學(xué)研究”課題下第二子課題試驗(yàn)專題“氫氣緩解措施試驗(yàn)”為代表，這兩個(gè)試驗(yàn)課題都是對(duì)設(shè)計(jì)事故以及嚴(yán)重事故狀態(tài)下核電站系統(tǒng)安全殼性能研究而設(shè)立。

“只有對(duì)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的物理現(xiàn)象和它對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的整體性能有深刻的理解，才能真正掌握非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的核心技術(shù)，才能為我國(guó)自主設(shè)計(jì)的CAP1400 的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)提供理論和技術(shù)支撐，使我國(guó)對(duì)大型先進(jìn)壓水堆核電廠設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的消化和再創(chuàng)新。”胡珀說(shuō)道。

胡珀在氫氣試驗(yàn)后與專家合影

我國(guó)“國(guó)和一號(hào)”CAP1400 的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，在事故條件下，安全殼頂部水箱中的儲(chǔ)水會(huì)由重力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)安全殼穹頂附近的圍堰分配，均勻散布到安全殼外壁面上，形成空氣水膜交叉蒸發(fā)換熱的效果，有效控制安全殼內(nèi)的溫度和壓力，保證安全殼的完整性，防止安全殼內(nèi)有害的放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中。

胡珀表示，作為CAP1400 的重要安全系統(tǒng)和設(shè)計(jì)特征，非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)利用重力注射和自然循環(huán)，以殼內(nèi)蒸汽冷凝、殼外水膜蒸發(fā)為主要排熱途徑，帶走事故后安全殼內(nèi)熱量，從而確保安全殼完整性和核電廠安全性。

為了設(shè)計(jì)有效的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)，需要合理布置圍堰，在與安全殼內(nèi)熱源變化相匹配的水流量下，均勻分配水膜，保持對(duì)安全殼的高覆蓋面積，同時(shí)，對(duì)交叉對(duì)流換熱需要有評(píng)估其實(shí)際工況條件下的換熱能力。針對(duì)以上需要，胡珀帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，提出了水膜冷態(tài)試驗(yàn)和水膜熱態(tài)試驗(yàn)方案，采用了激光水膜測(cè)厚，高熱通量高熱均勻性的加熱方式，有效地解決水膜邊緣追蹤和定位，以及測(cè)厚的技術(shù)難題，并通過(guò)創(chuàng)新式的均勻加熱方法，建立起了驗(yàn)證試驗(yàn)所必需的大尺度等溫邊界條件。驗(yàn)證結(jié)果有力地證明了國(guó)和一號(hào)的非能動(dòng)安全殼水膜分布的高覆蓋率，以及全工況下的冷卻能力，為該系統(tǒng)的定型制造作出了卓越貢獻(xiàn)。

據(jù)胡珀介紹，“水膜相關(guān)關(guān)鍵試驗(yàn)”主要關(guān)注水膜在大平板上的分布特性，以及空氣-水交叉換熱性能，從工程實(shí)際出發(fā)簡(jiǎn)化出主要的試驗(yàn)主體，即高熱流均勻加熱的大平板（5mX1.2m， 最 高 熱 流＞100KW/m2)，以及上部的矩形截面長(zhǎng)通道（5米），為解決加熱問(wèn)題，胡珀創(chuàng)新提出了密集導(dǎo)熱管式的加熱方式，在探測(cè)技術(shù)上，水膜采用激光測(cè)厚，熱流探頭直接測(cè)量熱流密度等國(guó)際上領(lǐng)先方案，圓滿地完成了試驗(yàn)任務(wù)，分析提出了新的非能動(dòng)安全殼條件下，空氣和水交叉對(duì)流換熱關(guān)系式，不僅很好的詮釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且也能涵蓋預(yù)測(cè)國(guó)外同類不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首次全面而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)非能動(dòng)安全殼的關(guān)鍵換熱行為，為安全殼設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支撐。

該試驗(yàn)作為CAP1400 核電站的六大關(guān)鍵試驗(yàn)17 項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)中兩項(xiàng)“水膜冷態(tài)試驗(yàn)”和“水膜熱態(tài)試驗(yàn)”，于2015 年中期通過(guò)國(guó)家安審當(dāng)局專家驗(yàn)收，有力地保證了新型國(guó)產(chǎn)化壓水堆核電站的順利建設(shè)工作。

此外，為保證嚴(yán)重事故下安全殼的完整性，胡珀還開(kāi)展了氫氣緩解措施試驗(yàn)的研究。

據(jù)了解，壓水堆核電站發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)燃料包殼發(fā)生鋯水反應(yīng)可產(chǎn)生大量氫氣。氫氣燃燒可導(dǎo)致安全殼內(nèi)的溫度和壓力上升，尤其是高濃度時(shí)的氫氣爆炸可產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓，嚴(yán)重威脅安全殼的完整性?！皻錃饩徑獯胧┰囼?yàn)”是在中型（～10m3）密封罐體內(nèi)驗(yàn)證氫氣-空氣混合氣體在不同混合濃度（4%-29% H2）下，在水蒸氣、噴淋、氣溶膠等影響下的氫氣點(diǎn)火器和金屬催化復(fù)合器的工作效能?！耙?yàn)樵撛囼?yàn)的特殊性，迄今為止國(guó)內(nèi)尚無(wú)公開(kāi)文獻(xiàn)在同一體積上突破5%的氫氣濃度試驗(yàn)結(jié)果?！焙瓯硎尽?/p>

在此背景下，胡珀積極帶領(lǐng)年輕的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，邊試驗(yàn)邊摸索，成功獲得高達(dá)14%H2 濃度下10m3空間的點(diǎn)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了其火焰發(fā)展軌跡，以及火焰前鋒的發(fā)展速度等數(shù)據(jù)，并與專用氫氣分析程序GASFLOW 進(jìn)行了計(jì)算比較，獲得了良好對(duì)比結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了國(guó)際同行的廣泛肯定，成功入選中歐核能大型嚴(yán)重事故實(shí)驗(yàn)合作項(xiàng)目ALISA，成功為歐洲同行提供了制定的12%的氫氣試驗(yàn)，后又獲邀參與歐洲的氣溶膠氣體分布和消除的IPRESCA 研究項(xiàng)目，并作為唯一一家國(guó)內(nèi)單位參與氫氣/一氧化碳的燃燒試驗(yàn)SAMHYCO-NET合作項(xiàng)目，有效地提升了中國(guó)在氫氣燃燒試驗(yàn)研究的國(guó)際影響力。

水膜試驗(yàn)臺(tái)

發(fā)揮橋梁紐帶作用，搭建產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)

在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的過(guò)程中，產(chǎn)學(xué)研合作教育是高校履行社會(huì)職責(zé)、貫徹黨的教育方針、全面實(shí)施素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新人才諸多模式中影響最深遠(yuǎn)、效果最明顯的一種模式，也是高校為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)必然要走的一條根本道路。高校著眼于知識(shí)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)，是科技產(chǎn)業(yè)化的源頭。企業(yè)是科技成果的需求方和轉(zhuǎn)化方，是科技成果轉(zhuǎn)化的主要推動(dòng)力量，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作是打通創(chuàng)新鏈條、促進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐。

由于核工程研究領(lǐng)域的特殊性，國(guó)家管控嚴(yán)格，技術(shù)門檻較高，科研單位對(duì)外合作開(kāi)展相對(duì)較少。但胡珀始終瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，迎難而上，長(zhǎng)期堅(jiān)持帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于核工程相關(guān)的學(xué)術(shù)研究的創(chuàng)新，注重產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，解決實(shí)際工程問(wèn)題。

為使科學(xué)研究落地，胡珀兼任了臺(tái)?，斉瑺柡嗽ㄉ虾＃┠茉丛O(shè)備有限公司總工程師，同時(shí)積極牽頭上海交通大學(xué)與臺(tái)?，斉瑺柡嗽窘a(chǎn)學(xué)研合作。臺(tái)海瑪努爾核原公司主要致力于核電系統(tǒng)裝備與核環(huán)保技術(shù)裝備領(lǐng)域，為核電新型系統(tǒng)性裝備、核電檢維修、放射性廢物處理、乏燃料管理、核設(shè)施退役等提供服務(wù)。公司堅(jiān)持“安全第一、質(zhì)量第一”的方針，遵循積極發(fā)展、努力提高、自主創(chuàng)新的指導(dǎo)思想，為我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

在胡珀看來(lái)，科研工作的目標(biāo)要落地，要產(chǎn)生價(jià)值、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，就必須走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的道路。對(duì)此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在核工程相關(guān)的學(xué)術(shù)方面做了很多前沿研究，并開(kāi)展了產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新研究與實(shí)踐。

據(jù)胡珀介紹，核電站主蒸汽管道斷裂是核電站安全分析中的典型事故，在嚴(yán)重工況下將導(dǎo)致堆芯冷卻能力喪失，帶來(lái)嚴(yán)重的設(shè)備損失甚至環(huán)境災(zāi)害。但是管道斷裂在一般情況下，并不是毫無(wú)征兆突然發(fā)生，往往會(huì)在有微小滲漏的管段逐漸發(fā)展產(chǎn)生。如果能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)該管道的蒸汽泄漏狀態(tài)，提前預(yù)警，將能極大地降低主蒸汽管道泄露的概率，大幅提高核電站的安全性。

國(guó)際上同類探測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期控制在法國(guó)阿海琺等核電巨頭手中，為打破國(guó)外的壟斷，也為中國(guó)國(guó)和一號(hào)CAP1400 裝上自主的管道泄漏探測(cè)設(shè)備，胡珀帶領(lǐng)課題組針對(duì)該設(shè)備的主要技術(shù)難點(diǎn)開(kāi)展攻關(guān)工作，連續(xù)突破了長(zhǎng)距離高溫高濕管路環(huán)境復(fù)現(xiàn)，常壓高溫蒸汽的滲透工藝，以及快速蒸汽探測(cè)和信號(hào)處理等多個(gè)難點(diǎn)，用時(shí)一年即完成了主蒸汽管道泄漏探測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)上海核工程研究設(shè)計(jì)院專家考察，達(dá)到了核電站應(yīng)用要求，具備了進(jìn)入工程樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的能力。

“我們的產(chǎn)學(xué)研合作成果，如主蒸汽管道泄漏探測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)等，均在實(shí)際應(yīng)用中取得了非常好的效果，因此我們也將繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品化的深入探索，并反哺基礎(chǔ)理論研究，進(jìn)一步提高相關(guān)技術(shù)的成熟度?！焙瓯硎?。

為深入推進(jìn)上海交通大學(xué)與臺(tái)?，斉瑺柡嗽井a(chǎn)學(xué)研合作，讓科研成果更具價(jià)值，胡珀還積極推動(dòng)人才聯(lián)合培養(yǎng)基地的建立，就多項(xiàng)科研項(xiàng)目達(dá)成了實(shí)質(zhì)性的產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)關(guān)系。同時(shí)也參與了相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)和推廣應(yīng)用轉(zhuǎn)化工作，成為了上海交大與臺(tái)?，斉瑺柡嗽井a(chǎn)學(xué)研合作重要的橋梁和紐帶，為產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新作出了重要貢獻(xiàn)。

回首過(guò)往，再啟新征程

胡珀投身核工程相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，是從2001 年赴美留學(xué)時(shí)開(kāi)始的。2001 年，在清華大學(xué)工程物理系本科畢業(yè)后，胡珀赴美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校攻讀研究生及博士學(xué)位。在國(guó)外研究期間，胡珀主要從事熱工水力和中子計(jì)算程序的耦合分析工作，比業(yè)界使用的最佳估算的獨(dú)立熱工流體計(jì)算模型能獲得更加精確的計(jì)算結(jié)果。

一路上的攻堅(jiān)克難，胡珀也取得了耀眼的成績(jī)。在分別改進(jìn)熱工程序、中子程序以及耦合算法的基礎(chǔ)上，首次發(fā)現(xiàn)了在超臨界水堆中冷卻劑通道流動(dòng)逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。該研究工作對(duì)超臨界堆美國(guó)的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)，燃耗和事故分析，有效促進(jìn)了超臨界堆的堆芯設(shè)計(jì)。

人們常說(shuō)，“科學(xué)無(wú)國(guó)界，但科學(xué)家有自己的祖國(guó)”。雖然在國(guó)外也開(kāi)展了一些卓有成效的研究，但國(guó)內(nèi)欣欣向榮的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展形勢(shì)，以及政府對(duì)科學(xué)研究的支持力度，令他倍感欣慰。在祖國(guó)的召喚下，胡珀毅然選擇回到國(guó)內(nèi)，積極投身于核工程相關(guān)的學(xué)術(shù)研究和重大工程攻關(guān)的工作?！皣?guó)家需要我，項(xiàng)目需要我，我自然義不容辭。”胡珀說(shuō)道。

2008 年回國(guó)后，胡珀就進(jìn)入了上海交通大學(xué)，在進(jìn)行科研工作的同時(shí)，也從事日常的教學(xué)工作。在日常教學(xué)中，胡珀常教導(dǎo)學(xué)生在注重基礎(chǔ)理論研究的同時(shí)也要腳踏實(shí)地，回到中國(guó)的當(dāng)前核工程制造和加工的現(xiàn)狀，積極掌握新技術(shù)、開(kāi)發(fā)新思路。在人才培養(yǎng)中，他對(duì)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，強(qiáng)調(diào)針對(duì)性、穩(wěn)定性、高效性和高水平支撐功能。最看重團(tuán)隊(duì)的協(xié)作精神，希望成員各有所長(zhǎng)能把各自的理念、觀點(diǎn)、擅長(zhǎng)的東西融會(huì)貫通，達(dá)到1+1＞2 的效果。

千里之行，始于足下。逐步攻克技術(shù)難題，保障核電站安全、搭建平臺(tái)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新、打造科研硬條件……回國(guó)十余年，胡珀的各項(xiàng)工作漸次展開(kāi)。如今，隨著“國(guó)和一號(hào)”的成功研發(fā)，他又馬不停蹄地奔向了一段新的征程。

“國(guó)和一號(hào)已順利收官，是結(jié)束也是新的起點(diǎn)。我要不忘初心，圍繞核心技術(shù)，充分發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，持續(xù)推進(jìn)科技產(chǎn)業(yè)化，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，為國(guó)家和社會(huì)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)?！闭劶拔磥?lái)，胡珀滿懷期待地說(shuō)。