打造綠色核能的中國新名片
—— 記西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院教授惲迪

◎ 文/傅雙橋

核能是人類社會(huì)最具潛力和希望的未來能源。隨著各國核能計(jì)劃的增多，核安全問題和后續(xù)的環(huán)境問題日益凸顯。針對(duì)此類問題，國際原子能機(jī)構(gòu)作為一個(gè)各國在核領(lǐng)域進(jìn)行科技合作的政府間中心論壇和協(xié)調(diào)中心，一方面對(duì)和平利用、開發(fā)核能的活動(dòng)積極加以扶持，另一方面也為核安全和環(huán)保確立了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下，如何更為高效綠色地利用核能造福人類社會(huì)也成為許多核能科學(xué)家不斷探尋的目標(biāo)。

西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院教授惲迪就是其中一位。從清華園到美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，到回國加入西安交通大學(xué)，一路走來，帶著對(duì)核能研究的熱情，以核燃料性能與材料輻照效應(yīng)為研究方向，在此領(lǐng)域惲迪已取得了一些不錯(cuò)的成績。

異國打拼，羽翼漸豐

回國之前，惲迪有過一段長達(dá)12年的海外求學(xué)與工作經(jīng)歷。2003年，完成了清華大學(xué)工程物理專業(yè)的本科學(xué)業(yè)后，惲迪遠(yuǎn)赴美國，在伊利諾伊大學(xué)香檳分校核工程專業(yè)開啟了他的求學(xué)生涯。

雖說本科所學(xué)是工程物理中與核能關(guān)系比較緊密的方向，但真正從工程物理專業(yè)完全轉(zhuǎn)到核工程專業(yè)，對(duì)于惲迪來說仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。幸好在清華的扎實(shí)積累，加之自己的堅(jiān)持，專業(yè)轉(zhuǎn)變帶來的不適應(yīng)很快被惲迪克服了。

在伊利諾伊香檳分校的7年，國外先進(jìn)的技術(shù)和超前的理念深深影響著惲迪。為了學(xué)到更多的知識(shí)，他付出了太多的時(shí)間和精力，“圣誕節(jié)挑燈夜戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)室廢寢忘食”正是那段時(shí)光惲迪的生活寫照。

付出總有回報(bào)，學(xué)業(yè)結(jié)束后他不僅收獲了伊利諾伊大學(xué)香檳分校核工程專業(yè)的碩士和博士學(xué)位，更越過博士后階段被美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室直接錄用并獲得了正式編制。

作為民用核能的開拓者費(fèi)米博士創(chuàng)立的實(shí)驗(yàn)室，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，不僅是美國第一個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室，更是美國能源部最大的研究中心之一，它在核能研究領(lǐng)域的地位不言而喻。能進(jìn)入這樣的實(shí)驗(yàn)室工作對(duì)很多研究核能的人來說，無疑是對(duì)其研究最好的肯定。惲迪用出色的表現(xiàn)為自己贏得了這樣的機(jī)會(huì)。

在阿貢實(shí)驗(yàn)室工作期間，惲迪主持并參與了多項(xiàng)美國能源部的項(xiàng)目，并被任命為美國能源部核能先進(jìn)模擬計(jì)算項(xiàng)目燃料板塊的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)人以及核能大學(xué)項(xiàng)目（NEUP）的技術(shù)指導(dǎo)。在開展的快堆金屬燃料開發(fā)和核能先進(jìn)模擬計(jì)算（NEAMS）等研究中，惲迪做出了重要的貢獻(xiàn)。

作為NEAMS項(xiàng)目燃料板塊的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，惲迪主要負(fù)責(zé)目前國際上最先進(jìn)的MBM程序中介觀尺度、衡量材料特性與微觀結(jié)構(gòu)的MARMOT程序的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。通過設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌并組織實(shí)施高難度原創(chuàng)性的介觀尺度原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，惲迪帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧化鈾燃料晶粒生長及氣泡生長的連續(xù)性原位觀測(cè)，并獲得了大量高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為MARMOT程序的模型改進(jìn)提供了關(guān)鍵的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

核燃料與材料研究團(tuán)隊(duì)合影

核安全與運(yùn)行研究室合影

作為美國能源部核能大學(xué)（DOE NEUP）材料輻照效應(yīng)項(xiàng)目的技術(shù)指導(dǎo)，惲迪為項(xiàng)目提供了極富價(jià)值的技術(shù)路線指引和階段性的成果評(píng)估及反饋。他積極向上的工作作風(fēng)和過人的專業(yè)素養(yǎng)為合作者們留下了深刻的印象，也為自己贏得了來自美國能源部高層的肯定。

在美12年，憑借扎實(shí)的學(xué)術(shù)功底，惲迪在核能領(lǐng)域已闖出了屬于自己的一片天地，取得了一系列豐碩的學(xué)術(shù)成果。他先后在重要國際期刊上發(fā)表論文近24篇，發(fā)表會(huì)議論文40余篇；申請(qǐng)專利1項(xiàng)；2次獲得美國核學(xué)會(huì)年會(huì)最佳論文獎(jiǎng)，并同時(shí)擔(dān)任Journal of Nuclear Materials、Materials Characterization、 Electrochimica Acta、Nuclear Technology等十多個(gè)國際期刊的審稿人和知名雜志Materials中核材料特刊的客座編輯。

惲迪告訴記者，自己選擇核能專業(yè)時(shí)，就是希望將來能學(xué)以致用，為祖國的核能發(fā)展做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。但他清楚只有學(xué)到最好的知識(shí)和技術(shù)，這樣的想法才能變成現(xiàn)實(shí)。經(jīng)過十多年的蛻變，惲迪已羽翼豐滿，在美國的寶貴積累，已為他回國投身核能事業(yè)做好了充分的準(zhǔn)備。2015年，懷揣夢(mèng)想，帶著多年所學(xué)，惲迪踏上了回國的旅程，在西安交通大學(xué)開啟了事業(yè)的新篇章。

平臺(tái)助力，投身重點(diǎn)項(xiàng)目研發(fā)

文化底蘊(yùn)深、學(xué)術(shù)氛圍濃的西安交通大學(xué)，在傳統(tǒng)核能領(lǐng)域里名列前茅的扎實(shí)積淀和雄厚實(shí)力，為惲迪工作的開展提供了非常理想的平臺(tái)。

惲迪告訴記者：“目前，由于核能在國際上還是比較敏感的領(lǐng)域，所以我們不能寄希望于依賴國外的先進(jìn)技術(shù)，而是要走出一條屬于自己的自主創(chuàng)新之路。”

在全球加速發(fā)展核能的背景下，如何建立和完善先進(jìn)的核燃料循環(huán)、提高鈾資源利用率、合理利用和處理核廢料是我國核工業(yè)發(fā)展的重心，也是惲迪工作的重心。

以研發(fā)具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)核燃料為目標(biāo)，憑借堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，豐富的科研經(jīng)歷，惲迪帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了一系列前沿性的科研工作。其中“基于速率理論并結(jié)合相場(chǎng)及原子尺度計(jì)算的適用于快堆金屬燃料的裂變氣體釋放及燃料腫脹模型研究”項(xiàng)目在惲迪剛加入西安交通大學(xué)，第一次申請(qǐng)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目時(shí)就獲得了成功。“專家對(duì)這個(gè)方向的認(rèn)可和充分肯定超出了我的預(yù)想，也更堅(jiān)定了我把這件事做好的決心。”惲迪信心滿滿地告訴記者。

快中子反應(yīng)堆不僅可以將天然鈾資源的利用率從目前在核電站中被廣泛應(yīng)用的壓水堆的約1%提高到60%以上，還可以嬗變壓水堆產(chǎn)生的長壽命放射性廢物，實(shí)現(xiàn)放射性廢物的最小化，其發(fā)展和推廣對(duì)促進(jìn)我國核電可持續(xù)發(fā)展和先進(jìn)燃料循環(huán)體系的建立具有重要意義?！扳欎喓辖?U-Zr)金屬燃料被認(rèn)為是快中子堆及其牽引的核燃料循環(huán)中在增殖性能、燃料循環(huán)經(jīng)濟(jì)性及安全特性方面具有獨(dú)特先進(jìn)性的核燃料，其在裂變氣體釋放與燃料腫脹方面的表現(xiàn)，對(duì)快中子反應(yīng)堆的服役性能有著至關(guān)重要的影響?！闭勂痦?xiàng)目開展的背景，惲迪侃侃而談。

自2017年1月開始啟動(dòng)至今，項(xiàng)目正在有條不紊地推進(jìn)中。針對(duì)金屬燃料中關(guān)鍵的裂變氣體釋放和燃料腫脹等技術(shù)問題，在已開展的基于速率理論的機(jī)理性研究基礎(chǔ)上，惲迪帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)擬采用結(jié)合相場(chǎng)理論、原子網(wǎng)格計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)和速率理論的計(jì)算方法對(duì)這些問題進(jìn)行深入地研究。

團(tuán)隊(duì)擬通過相場(chǎng)理論模擬研究金屬燃料U-10Zr的物相形貌、分布與演變特點(diǎn)，并結(jié)合原子尺度模擬計(jì)算方法提供速率理論所需的有效平均場(chǎng)速率參數(shù)，建立快堆工況下金屬燃料裂變氣體釋放及燃料腫脹隨燃料燃耗變化的規(guī)律，闡明物相分布及形貌演變對(duì)金屬燃料中裂變氣體行為的影響，揭示裂變氣體氣泡與孔洞在金屬燃料中導(dǎo)致腫脹的核心機(jī)制。從而進(jìn)一步加深人們對(duì)金屬燃料在快堆中輻照性能的理解，開拓相場(chǎng)理論，原子尺度模擬與速率理論相結(jié)合的應(yīng)用，為金屬燃料滿足更高燃耗的設(shè)計(jì)以及金屬燃料腫脹性質(zhì)的調(diào)控提供理論依據(jù)。

惲迪非常重視團(tuán)隊(duì)的力量，他所在的西安交通大學(xué)核安全與運(yùn)行研究室，目前已集中了一批有著多學(xué)科背景的優(yōu)秀人才，在核燃料與熱工水力的學(xué)科交叉方面，他的團(tuán)隊(duì)有著極大的優(yōu)勢(shì)。除此之外，與國內(nèi)各高校及企業(yè)科研院所的深度合作，也使團(tuán)隊(duì)掌握了針對(duì)反應(yīng)堆事故工況開展機(jī)理性研究的一整套比較完整的方法與體系。惲迪和他的團(tuán)隊(duì)正在為研發(fā)更先進(jìn)的反應(yīng)堆系統(tǒng)及燃料體系做著不懈的努力。

前路漫漫，唯踏實(shí)方能致遠(yuǎn)

2013年日本福島核事故后，輕水核反應(yīng)堆（輕水堆）燃料的安全性和事故響應(yīng)成為廣受國際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。繼而，世界各國都將大幅度改進(jìn)輕水堆燃料抗事故能力作為其核能研發(fā)的戰(zhàn)略核心。截至目前，很多事故容錯(cuò)燃料概念被陸續(xù)提出，包括使用導(dǎo)熱性能更好的芯塊材料替代氧化鈾、改善現(xiàn)有包殼材料的抗腐蝕能力及使用不產(chǎn)生氫氣的新型包殼材料等，其中使用安全性能顯著提高的包殼材料受到了更為廣泛的關(guān)注。

作為核能領(lǐng)域的大國，我國對(duì)事故容錯(cuò)燃料的研發(fā)也給予了高度的關(guān)注和大力投入。研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的事故容錯(cuò)燃料將使我國核燃料技術(shù)水平在國際處于領(lǐng)先地位，為實(shí)現(xiàn)從核大國向核強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變奠定良好的基礎(chǔ)。

在如此重要的背景下，在鋯合金包殼管的多元硬質(zhì)涂層研究、碳化硅復(fù)合材料包殼管的性能改進(jìn)研究及事故容錯(cuò)燃料的失冷事故（LOCA）模擬測(cè)試方法研究中謀求突破，通過不斷完善團(tuán)隊(duì)自身建設(shè)和切實(shí)提高技術(shù)實(shí)力，惲迪將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開展事故容錯(cuò)燃料及先進(jìn)核燃料的基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，努力為我國核燃料綜合科技水平的提高貢獻(xiàn)一份力量。

回國至今，為了盡快實(shí)現(xiàn)自己定下的一個(gè)個(gè)目標(biāo)，惲迪將全身心投入到了科研工作中，一年中為工作飛行上百次對(duì)他來說是常有的事?！帮w機(jī)如果晚點(diǎn)，有時(shí)凌晨三四點(diǎn)才能回到西安，到家就快五點(diǎn)了，睡上兩三個(gè)小時(shí)，接著再去上班。”為了工作的順利推進(jìn)，惲迪已經(jīng)忘記了疲憊。

對(duì)于未來的工作，他清楚唯有踏踏實(shí)實(shí)才能走得更遠(yuǎn)。

在加入核安全與運(yùn)行研究室的同時(shí)，惲迪也加入了西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院千人團(tuán)隊(duì)、先進(jìn)核燃料基礎(chǔ)科學(xué)研究中心及多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，他希望通過與這些團(tuán)隊(duì)的合作，促進(jìn)交叉學(xué)科的融合和綜合性研究工作的推進(jìn)，從而形成具有原創(chuàng)性和自身特色的理論應(yīng)用體系。

具體到每個(gè)方面，他制定出了如下計(jì)劃。在學(xué)生培養(yǎng)上，他強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生主動(dòng)性、獨(dú)立性、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神方面的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)所培養(yǎng)的人才與社會(huì)需求高度結(jié)合的目標(biāo)。在團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，他強(qiáng)調(diào)針對(duì)性、穩(wěn)定性、高效性和高水平支撐功能。他希望通過與其他團(tuán)隊(duì)的合作，培養(yǎng)出一批素質(zhì)好、喜歡鉆研的年輕人，并獨(dú)立形成一支在先進(jìn)核燃料研發(fā)領(lǐng)域具有國際影響力的高水平團(tuán)隊(duì)。在科研方面，他強(qiáng)調(diào)前沿性、原創(chuàng)性、前瞻性和對(duì)學(xué)科發(fā)展的引領(lǐng)作用。在國際合作方面，他希望在和美國一流高校及國家實(shí)驗(yàn)室已有的合作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展國際合作空間，開展與法國、日本、韓國、德國等核燃料領(lǐng)域?qū)＜业暮献?，為進(jìn)一步提升西安交通大學(xué)在核科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的影響力做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

“無所畏懼，樂觀積極，以從容的心態(tài)迎接每次挑戰(zhàn)，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木駥?duì)待每個(gè)課題，以前沿的理念影響每位學(xué)生?！闭劦絺€(gè)人規(guī)劃時(shí)，惲迪為自己定下了這樣的目標(biāo)。