西安交通大學(xué)核電廠系統(tǒng)與設(shè)備課程教學(xué)研究與實(shí)踐

田文喜 張亞培 陳榮華 秋穗正 蘇光輝

[摘 要]核動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備是核工程與核技術(shù)專業(yè)最重要的一門專業(yè)核心課程。西安交通大學(xué)在核動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備課程教學(xué)方面進(jìn)行了改革和嘗試，不斷更新教材內(nèi)容，將優(yōu)勢(shì)科研和學(xué)術(shù)前沿研究融入教學(xué)，采用多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)多種教學(xué)手段，建設(shè)了核電設(shè)備模型展室，并與多個(gè)核電廠聯(lián)合成立了學(xué)生課外實(shí)踐基地，通過多管齊下的手段讓學(xué)生更好地掌握枯燥乏味的核電系統(tǒng)設(shè)備知識(shí)，教學(xué)效果較為顯著。相關(guān)措施可為其他開設(shè)該課程的高校同仁提供參考。

[關(guān)鍵詞]核動(dòng)力系統(tǒng)；教學(xué)研究；西安交通大學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）08-0052-03

核電廠系統(tǒng)與設(shè)備是核工程與核技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心必修課程，該課程是核工程專業(yè)核心課程核反應(yīng)堆物理、核反應(yīng)堆熱工分析、核反應(yīng)堆控制及核反應(yīng)堆安全課程的基礎(chǔ)，也是學(xué)生走上工作崗位所必須掌握的基本知識(shí)，因此，將該課程稱為核工程與核技術(shù)專業(yè)最重要的一門課程也不為過。通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠深刻掌握核電廠主要系統(tǒng)設(shè)備的基本工作原理和設(shè)計(jì)理念。雖然這門課程沒有大量煩瑣的公式推導(dǎo)和理論方程，但要想使學(xué)生達(dá)到“知其然并知其所以然”的目標(biāo)卻并非易事，對(duì)教師本身專業(yè)知識(shí)水平及課程資源等諸方面都有較高要求。

近些年來國(guó)內(nèi)成立核專業(yè)的高校劇增，由十來年前的10余所猛增至現(xiàn)在的50余所。新開設(shè)核專業(yè)的高校面臨著課程體系及師資力量建設(shè)等諸多困難。西安交通大學(xué)核專業(yè)是我國(guó)最早成立的核專業(yè)之一，已經(jīng)有60年的專業(yè)歷史，核能科學(xué)與工程是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，為我國(guó)核工程培養(yǎng)了3400余名本科畢業(yè)生、800余名研究生，為各大核電集團(tuán)開展操作員基礎(chǔ)培訓(xùn)3200余人次，在人才培養(yǎng)和教學(xué)研究中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。核電廠系統(tǒng)與設(shè)備課程在西安交大也已經(jīng)開設(shè)了30余年，本文將介紹西安交大在核動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備課程方面的教學(xué)研究和嘗試，供其他開設(shè)該課程的高校同仁參考。

一、精編教材，將最新前沿知識(shí)引入教學(xué)

自第一座核反應(yīng)堆于1942年在美國(guó)芝加哥大學(xué)由核能先驅(qū)費(fèi)米主導(dǎo)設(shè)計(jì)和建成以來，世界核能技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了如圖1所示的幾個(gè)階段，特別是2000年以后，隨著核能發(fā)展春天的來臨和第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的提出，眾多新型核反應(yīng)堆概念不斷提出。西安交大在90年代初出版了講義教材《核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)備》[1]，后經(jīng)幾次修訂。但隨著核能形式的不斷發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來一些創(chuàng)新性的堆芯和核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的不斷涌現(xiàn)，原有教材內(nèi)容較為陳舊，已不能滿足目前課程教學(xué)和人才培養(yǎng)的需要，而現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)其他教材也存在內(nèi)容陳舊的問題[2][3]。因此，西安交通大學(xué)于2015年出版了《先進(jìn)核電廠結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)備》這一教材[4]。新教材適當(dāng)縮減原講義中關(guān)于第二代反應(yīng)堆的內(nèi)容，添加了AP1000、ABWR、EPR等第三代反應(yīng)堆的內(nèi)容，新加入SCWR、MSR、VHTR等第四代反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)原理等內(nèi)容，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了一些概念設(shè)計(jì)新穎的堆型，包括小型模塊式反應(yīng)堆、球床式水冷堆、行波堆、聚變裂變混合堆及國(guó)際熱核聚變堆等，旨在使學(xué)生能夠較為全面地掌握先進(jìn)核能系統(tǒng)發(fā)展前沿知識(shí)，學(xué)生反映效果良好。

此外，隨著先進(jìn)設(shè)計(jì)理念不斷應(yīng)用于核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的更新?lián)Q代也很快，這些知識(shí)容易混淆，也需要及時(shí)更新到新的教學(xué)內(nèi)容中并重點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。如二代壓水堆堆內(nèi)中子通道測(cè)量導(dǎo)管是由下封頭貫穿壓力容器，但是福島事故后大量研究發(fā)現(xiàn)貫穿件及焊接部分是壓力容器較為薄弱的部位，嚴(yán)重事故堆芯熔融狀態(tài)下這些薄弱的部位往往最先失效。因此在部分二代改進(jìn)型堆型及三代核電華龍一號(hào)及AP1000等堆型中測(cè)量導(dǎo)管貫穿件改為由上封頭貫穿[5]。再如二代壓水堆堆型壓力容器等大型設(shè)備是在安全殼頂蓋吊裝完成后由設(shè)備進(jìn)出門（龍門）進(jìn)行安裝的，而三代核電AP1000的壓力容器是在安全殼頂蓋吊裝完成前從上部直接吊裝的，華龍一號(hào)福清核電示范工程的壓力容器安裝也采用了“開頂”法安裝，節(jié)約了工期。這些設(shè)計(jì)理念的更新在教學(xué)中要向?qū)W生重點(diǎn)講授。

二、充分借鑒多媒體等現(xiàn)代化先進(jìn)教學(xué)手段

核電廠系統(tǒng)與設(shè)備課程主要介紹了核電廠實(shí)際的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)備，具有明確的工程應(yīng)用背景，內(nèi)容多且復(fù)雜，對(duì)學(xué)生的理解能力要求較高。針對(duì)這些特點(diǎn)，在教學(xué)過程中，教師充分發(fā)揮了多媒體技術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，基于PowerPoint軟件設(shè)計(jì)了圖文并茂、形象生動(dòng)的多媒體教學(xué)課件（圖2），直觀地展示了核電廠中各部件、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的組成與功能。同時(shí)，也將晦澀難懂的文字信息變成直觀的圖片信息，以讓學(xué)生更好地掌握各種核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理。還進(jìn)一步引入并設(shè)計(jì)制作了展示視頻（圖3），以對(duì)字面上難以理解的復(fù)雜設(shè)備的工作方式和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程等抽象知識(shí)進(jìn)行直觀介紹，使學(xué)生對(duì)核反應(yīng)堆系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行原理得以充分理解與掌握。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，可及時(shí)從網(wǎng)絡(luò)上搜集關(guān)于核電方面的熱點(diǎn)內(nèi)容如“大國(guó)重器”等，將核電當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)與教學(xué)相融合，促使學(xué)生自覺了解當(dāng)前核電行業(yè)的最新發(fā)展?fàn)顩r，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程組還充分利用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了核電廠虛擬仿真VR實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生如身臨其境般對(duì)核電廠進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)參觀。這不但能促進(jìn)學(xué)生對(duì)核電廠系統(tǒng)設(shè)備知識(shí)的掌握，也豐富了教學(xué)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)習(xí)樂趣。

課程組還將優(yōu)勢(shì)科研融入教學(xué)，在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)貙?duì)課題組最新相關(guān)研究成果進(jìn)行了展示。例如，在大型先進(jìn)壓水堆專項(xiàng)支持下，開發(fā)蒸汽發(fā)生器三維實(shí)體建模分析技術(shù)（圖4）；在快堆重大專項(xiàng)支持下，針對(duì)我國(guó)示范快堆（圖5）開發(fā)的三維全尺寸堆芯、一維回路系統(tǒng)跨尺度動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)。將這些最新研究成果融入教學(xué)內(nèi)容，一方面對(duì)學(xué)生深入掌握核能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理大有裨益，一方面也提高了課程的學(xué)術(shù)意義，有利于激發(fā)和提高學(xué)生科研方面的興趣。

三、建設(shè)核電廠系統(tǒng)設(shè)備模型室

核電廠系統(tǒng)十分復(fù)雜，其主要包括一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)，且每個(gè)系統(tǒng)又包含大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型設(shè)備，如一回路系統(tǒng)包含堆芯及壓力容器結(jié)構(gòu)、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵等。核電廠一回路系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑流動(dòng)傳熱特性十分復(fù)雜，以蒸汽發(fā)生器為例，一臺(tái)百萬(wàn)千萬(wàn)機(jī)組的蒸汽發(fā)生器傳熱管數(shù)多達(dá)4474根，傳熱管內(nèi)一次側(cè)流體的流程與管外二次側(cè)冷卻劑流程不同，且相互耦合，影響蒸汽發(fā)生器的傳熱效率和運(yùn)行特性。如果僅僅通過課本知識(shí)的傳授和描述，教師不能形象化地將蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)流體流動(dòng)情況呈現(xiàn)出來，可能導(dǎo)致學(xué)生對(duì)蒸汽發(fā)生器的具體結(jié)構(gòu)和工作原理的理解不深刻。

因此，為了強(qiáng)化核動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備課程教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)核電廠系統(tǒng)及重要設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理的理解，西安交通大學(xué)以設(shè)計(jì)購(gòu)置和捐贈(zèng)的方式專門建設(shè)了核電廠系統(tǒng)及重要設(shè)備模型教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。其主要模型包括堆芯及壓力容器結(jié)構(gòu)模型、安全殼結(jié)構(gòu)模型、主泵模型、蒸汽發(fā)生器模型、一回路系統(tǒng)模型、二回路系統(tǒng)模型及控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型等（圖6）。核電廠一二次側(cè)熱工流體采用不同顏色的燈光顯示，讓學(xué)生可以清晰地看到熱工流體在復(fù)雜系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)路徑，加深學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的理解。學(xué)生通過與核電廠系統(tǒng)及設(shè)備實(shí)物模型多方位的、立體性的接觸，開闊了知識(shí)視野，活躍了思路。

通過采用復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物模型現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的方式和方法，學(xué)生能更好地理解系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行原理；將抽象的課本知識(shí)具體化和形象化，既方便學(xué)生理解和記憶，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率，達(dá)到了良好的學(xué)習(xí)效果。我們將核動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備模型教學(xué)有效地融入教學(xué)體系中，構(gòu)建了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系，面向2010-2014級(jí)400多名核工程專業(yè)本科生開展了教學(xué)實(shí)踐（圖7），取得了良好的教學(xué)效果。

四、眼見為實(shí)，積極開拓和建設(shè)校外實(shí)踐基地

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”課本、多媒體課件、虛擬現(xiàn)實(shí)及實(shí)體教學(xué)模型在感官上與真實(shí)核電廠系統(tǒng)設(shè)備仍有很大區(qū)別。為了使學(xué)生能夠更真實(shí)地了解真實(shí)核電廠的系統(tǒng)運(yùn)行情況，西安交大核學(xué)院積極開拓資源，與西北核技術(shù)研究所、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、上海核工程研究設(shè)計(jì)院、江蘇核電有限公司、秦山核電聯(lián)營(yíng)有限公司、國(guó)家核電軟件中心、中廣核研究院等國(guó)內(nèi)知名核電企業(yè)及科研院所聯(lián)合建立了學(xué)生課外實(shí)踐基地（圖8）。專業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、暑期夏令營(yíng)實(shí)習(xí)等使學(xué)生能夠有機(jī)會(huì)參觀甚至短期直接參與核電站或核反應(yīng)堆系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)工作。同時(shí)在實(shí)踐過程中，請(qǐng)科研院所的設(shè)計(jì)人員給學(xué)生講解核電廠系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，請(qǐng)核電廠的操作員和一線運(yùn)維人員給學(xué)生講解核電廠系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行原理，從而達(dá)到使學(xué)生全面深刻地掌握和理解課程知識(shí)的目的。

五、總結(jié)

本文介紹了西安交大在核電廠系統(tǒng)與設(shè)備課程教學(xué)方面的改革和嘗試，具體措施包括不斷更新教材內(nèi)容，將優(yōu)勢(shì)科研和最新學(xué)術(shù)前沿研究融入教學(xué)，采用多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)多種教學(xué)手段，建設(shè)了核電設(shè)備模型展室，并與多個(gè)科研院所和核電企業(yè)聯(lián)合成立了學(xué)生課外實(shí)踐基地，通過多管齊下的手段讓學(xué)生更好地掌握枯燥乏味的核電系統(tǒng)設(shè)備知識(shí)，教學(xué)效果較為顯著。希望相關(guān)措施可為其他開設(shè)該課程的高校同仁提供參考。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 秋穗正，郭玉君，蘇光輝等.核電廠結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)備[Z].西安：西安交通大學(xué)講義，1990.

[2] 臧希年.核電廠系統(tǒng)與設(shè)備：第二版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3] 周濤，盛程.壓水堆核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[4] 秋穗正，蘇光輝，田文喜等.先進(jìn)核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2015.

[5] 林誠(chéng)格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[責(zé)任編輯 劉鳳華]