王大中：為祖國釋放最大“核能量”

操秀英

1克鈾235徹底裂變，能釋放相當于2.9噸標準煤的能量。那一位能讓鈾235實現(xiàn)徹底裂變的核能專家，釋放的“能量”又有多大？

獲得2020年度國家最高科學技術獎的國際著名核能科學家、實現(xiàn)我國反應堆固有安全的帶頭人王大中院士給出了答案。

王大中曾說，他幾十年的科研生涯主要就是建了3個核反應堆。

從20世紀60年代中國首座自行設計與建造的屏蔽試驗反應堆到20世紀90年代一體化自然循環(huán)核供熱堆，再到新世紀模塊式球床高溫氣冷堆，這3個堆極大地推動了我國核能科技的發(fā)展。

它們記錄了王大中從初出茅廬的青年科研人員到核能技術領軍人物的成長軌跡，更見證了我國核能事業(yè)從小到大、從弱到強的奮斗之路。

給“球形堆之父”的驚喜

在近期廣受好評的國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展上，全球首個第四代核電——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程備受關注。

2021年9月12日，該示范工程1號反應堆首次達到臨界狀態(tài)，機組正式開啟帶核功率運行。

當天，86歲的王大中在他的學生、清華大學核能與新能源技術研究院（以下簡稱“清華核研院”）院長張作義的陪同下，見證了這一重要時刻。近兩年，他已很少去外地出差。但這次，他說，他一定得去?！昂穗娂夹g一定要實現(xiàn)反應堆固有安全?！彼俅螐娬{了35年前就認定的方向。

時間給出了當年那一重要決策最好的答案。

1986年，切爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸。但王大中堅信，核電一定會成為非常重要的清潔能源，而具有固有安全性的模塊式球床高溫氣冷堆將會成為未來核能發(fā)展的重要方向之一。

王大中并非盲目自信，他堅持的底氣來自更早幾年關于核電安全的思考、研究和謀劃。

事實上，早在1979年，美國三哩島壓水堆核電站發(fā)生堆芯熔化事件，已經(jīng)給全球敲響了核安全的警鐘。王大中也是在此時意識到，安全是核能發(fā)展的生命線，未來核電技術發(fā)展必須抓住這一主要矛盾。

幸運的是，時代和祖國給了王大中求解這個主要矛盾的機遇。

改革開放后，一大批有志青年走出去，學習各領域先進知識。王大中在德國洪堡獎學金的資助下，前往于利希研究中心反應堆研究所進修，師從球床高溫氣冷堆創(chuàng)始人蘇爾登教授。

當蘇爾登教授將4個研究課題擺在他面前時，他選擇了“模塊式高溫氣冷堆的設計研究”。

彼時，模塊式高溫堆還只是德國科學家剛剛提出的一個新概念，其核心是要使反應堆具有“固有安全性”，從根本上杜絕發(fā)生堆芯熔毀的可能。

選擇一個新概念作為研究方向，顯示了王大中的遠見卓識和魄力。

“他的這種戰(zhàn)略眼光有時候近乎神奇?！睆堊髁x如此評價他的恩師，“2000年后，模塊式高溫氣冷堆才被國際核能界公認為第四代先進核能技術的代表，而老師在十幾年前就認定了這個方向?！?/p>

在進修時，王大中創(chuàng)造性提出“雙區(qū)球床堆”方案，在堆芯中央構建一個石墨球區(qū)，以降低堆芯熱點溫度，從而在保持模塊式高溫堆優(yōu)異安全性能的前提下，大幅提升單堆設計功率。

當他將這一方案和驗算結果交給蘇爾登教授時，這位“球形堆之父”驚喜地說：“過去認為單堆功率能提高10%就很不容易了，現(xiàn)在你的設計方案可實現(xiàn)大幅度提高，這是很了不起的，這種環(huán)形堆應該申請專利?！?/p>

僅用5個月的時間，王大中就完成了環(huán)形堆的初步概念設計。他以此為基礎完成了博士論文，又以全優(yōu)成績通過論文答辯，僅用一年多時間就獲得亞琛工業(yè)大學自然科學博士學位，被當?shù)貓蠹堅u價為“中國人創(chuàng)造的一個奇跡”。

讓中國高溫氣冷堆領跑世界

在世界核能發(fā)展最低潮時期，王大中跟蹤國際高溫堆發(fā)展前沿，做出了3個重大戰(zhàn)略性選擇：一是模塊式球床高溫氣冷堆堆型;二是從小規(guī)模實驗堆到全尺寸工業(yè)示范電站的發(fā)展路線;三是在核心關鍵技術上堅持自主創(chuàng)新的原則。這3個重大選擇對中國乃至世界高溫氣冷堆技術的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，明確了我國高溫氣冷堆之后30年的技術發(fā)展路線。

在王大中等人的力推下，在國家“863計劃”的支持下，清華核研院開始了10兆瓦模塊式球床高溫氣冷實驗堆的研發(fā)。

球形核燃料元件、燃料球流動特性、氦技術及氦設備……在陸續(xù)突破8項關鍵技術后，1992年，國務院批準立項，在清華核研院建一座10兆瓦高溫氣冷實驗堆。8年后，高溫氣冷實驗堆建成臨界，又在兩年多后并網(wǎng)發(fā)電。

這是世界上首座模塊式球床高溫氣冷實驗堆，它的建成標志著我國掌握了該堆型的關鍵核心技術，形成了擁有我國自主知識產(chǎn)權的設計技術，并取得了系列重要創(chuàng)新成果。

王大中沒有就此止步。

他又一次站在國家戰(zhàn)略需求的角度，按照“堅持核心關鍵技術自主創(chuàng)新”的既定方針，提出要實現(xiàn)實驗反應堆向工業(yè)規(guī)模原型堆的跨越，實現(xiàn)我國先進核能技術的跨越發(fā)展。

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，高溫氣冷堆核電站是其中一個分項，其核心工程目標和標志性成果是在山東榮成建設一座電功率為200兆瓦的高溫氣冷堆核電站示范工程，為發(fā)展第四代核電技術奠定基礎。

這是世界首座工業(yè)規(guī)模的模塊式高溫氣冷堆核電站，工程規(guī)模相當于我國首座秦山30萬千瓦核電機組。

“跳起摸高”的創(chuàng)新定位

1989年11月3日，在首都西北郊巍峨的燕山腳下，清華核研院一座新落成的乳白色建筑物內(nèi)，指示控制棒位的熒光屏閃閃發(fā)光，經(jīng)過放大的中子計數(shù)器嗒嗒作響，人們在屏息靜氣地等待著一個時刻的到來。

16時53分，主控制室各種儀表都顯示出反應堆已達到首次臨界，一位中年人激動地宣布：“5兆瓦低溫核供熱堆首次臨界運行成功?！?/p>

1985年，王大中主持國家“七五”重點科技攻關項目“5兆瓦低溫核供熱堆研究”。

在總體方案的選擇上，在實現(xiàn)反應堆安全的前提下，既要實現(xiàn)核能供熱的目標，又要深謀遠慮地把握反應堆技術的發(fā)展方向，他帶領團隊花費了近一年時間進行論證，其間專程帶隊去歐洲考察，著重調研了德國西門子的一體化殼式供熱堆和瑞典的池式供熱堆。經(jīng)過反復研究和論證，最后確定選擇殼式一體化自然循環(huán)水冷堆，并計劃先建設一座5兆瓦低溫核供熱堆，以掌握其核心技術。

實踐證明，這個方案的選擇具有很強的技術前瞻性。一體化自然循環(huán)已成為21世紀以來國際上小型輕水核反應堆發(fā)展的主要技術方向之一，在小型核能發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、核能供熱、海水淡化等方面有著廣闊的應用前景。

從立項報告到設計方案，從實驗現(xiàn)場到建設工地，他全程負責，親力親為。

5兆瓦低溫核供熱堆于1986年開工，1989年建成并首次臨界成功，投入功率運行。隨后3個冬季供熱運行累計8174小時，供熱可利用率達到99%。這是世界上首座一體化自然循環(huán)水冷堆，也是世界上首次采用新型水力驅動控制棒的反應堆。

“要善于把握技術發(fā)展方向，選好技術方案和項目目標，在目標定位上要‘跳起來摘果子’，如果目標過高或過低，只能無功而返或達不到預期成果?！蓖醮笾腥蘸罂偨Y，“跳起來摘得著”才是適度的高標準，設法使自己跳得高一些，達到一個高度后，再瞄準新的高度，才能實現(xiàn)勇于創(chuàng)新與求真務實的結合。

來自“200號”的磨煉

知易行難。將勇于創(chuàng)新與求真務實完美結合，也正是張作義最佩服老師的地方。

“他強調在開放合作的背景下謀創(chuàng)新，但任何時候都不忘將關鍵核心技術牢牢掌握在自己手里，這其實需要極大的決心和魄力，以及堅韌不拔的毅力?！睆堊髁x說。

以10兆瓦高溫氣冷實驗堆中的核燃料球為例，對這一關鍵技術，當時有人提出購買國外早期研究文檔。王大中在多方調研論證后強調，必須自己研發(fā)。

10兆瓦堆采用球形燃料元件，全堆裝兩萬多個燃料球，每個球包含8000個直徑小于1毫米的包覆顆粒，每個顆粒內(nèi)有0.5毫米鈾芯和3層熱解炭及一層碳化硅的包覆層，每爐一次制備500萬個顆粒，不合格率要小于十萬分之二。

在近10年的攻關后，王大中帶領團隊最后批量生產(chǎn)出2萬多個核燃料球，其質量達到國際先進水平。

“攻克核心技術要經(jīng)歷多次失敗，不可能一蹴而就，這是一個‘十年磨一劍’的長期積累過程，既需要有知難而進的勇氣，又需要有鍥而不舍的韌勁?！蓖醮笾性f。

“如果當時我們用了別人的技術，很難有今天的先進性和世界最大規(guī)模批量生產(chǎn)的能力?！睆堊髁x感嘆。

王大中的堅持和知難而進淬煉于新中國首座自行設計與建造的屏蔽實驗反應堆。

1956年，清華大學成立了工程物理系，這是國家為培養(yǎng)原子能科學技術人才而成立的第一個核工程系。該系的首批學生全是從其他院系抽調過來的精英。

剛在機械系讀完二年級的王大中被調入這個新的系。雖然王大中日后戲稱，這次轉讀工程物理系是“身不由己”，但隨后選擇核反應堆專業(yè)確實是心之所向。

對核反應堆完全不了解的王大中對一件事印象深刻。他看過一部介紹蘇聯(lián)第一個原子能發(fā)電站的紀錄片，盡管那座核電站功率只有5000千瓦，但原子核裂變釋放出的巨大能量，以及那厚厚的混凝土墻和自動開啟的鐵門后面的原子爐，給他留下了強烈而深刻的印象。

“鏈式裂變是怎樣發(fā)生的、又是怎樣被控制的？能量又是怎樣傳出和利用的？正是這種好奇心驅使著我選擇了核反應堆專業(yè)?！蓖醮笾姓f。

鼎鼎大名的清華核研院在核行業(yè)內(nèi)和清華校內(nèi)被稱為“200號”，這也是核研院建院初期在校內(nèi)的工程編號?！?00號”最初因一座功率為2000千瓦的屏蔽試驗反應堆而建。

1960年，在京郊昌平的虎峪山區(qū)，一群平均年齡不到23歲的清華師生開啟了艱難的建堆之路，王大中也是其中之一。彼時，他從工程物理系畢業(yè)留校才兩年。

當年屏蔽試驗反應堆建設條件之艱苦自不必多說，人員吃住都在馬棚里，那里還流傳著一個“二兩坡”的笑談：從清華園到虎峪村要先坐火車，再走10里山路。師生們開玩笑稱那段山路為“二兩坡”——爬一次坡能消化二兩饅頭。

更難的是科研上的“硬骨頭”?！爱敃r反應堆這門課程并沒有教材，只能從實踐中摸索?！蓖醮笾性貞?，因為各國對反應堆的研究保密，他們誰也沒有見過反應堆，擺在面前的只有蘇聯(lián)的不完整圖紙。

17個供應系統(tǒng)、數(shù)千個機器零部件、幾百臺儀器設備、20萬米管線，屏蔽試驗反應堆的設計和建造對當時一窮二白的新中國來說，其難度可想而知。

但高喊“用我們的雙手開創(chuàng)祖國原子能事業(yè)的春天”的年輕人們硬是扛過來了。

1964年秋天，“200號”迎來了豐收的季節(jié)。我國第一座自行設計、建造的核反應堆——清華大學屏蔽試驗反應堆成功建成。

作為其中的骨干成員，王大中和同事、同學們從做工程模型開始了解反應堆結構和系統(tǒng)。他們從“馬糞紙”模型做起，再到“三合板”、玻璃模型，逐漸搞清楚反應堆堆芯、各種工藝系統(tǒng)和建筑結構。他還負責籌建了反應堆熱工水力學實驗室。來之不易的成功，讓王大中深刻體會到攻克難關的喜悅和意義。

始終保有嚴謹細致的作風

選定方向后，除了實事求是、按科學規(guī)律辦事，嚴謹細致的作風也是成功的關鍵。

對王大中來說，同樣如此。

王大中嚴謹為學、一絲不茍的治學態(tài)度影響了一大批年輕人。他曾經(jīng)的博士生石磊現(xiàn)在已經(jīng)是清華大學核研院副院長。

他記得，彼時，王大中還是清華大學的校長，工作非常繁忙?！暗?，當他修改完我的博士論文，找我一章一節(jié)、一段一句仔細討論時，望著滿篇標有王老師修改痕跡的論文，聽著王老師耐心的講解，我深受觸動?！笔谡f，老師連他文字標點、圖標符號的錯誤，都一一指了出來。

在工作中，王大中既讓人看到他的大手筆，也讓人體會到他對細微處的關注：他曾經(jīng)把厚重的國外大學的信息資料一本本帶回學校，也曾經(jīng)收集了厚厚一疊新年賀卡交給清華大學新聞中心，希望他們也能把清華的新年賀卡設計得更典雅一些，而清華后勤搞房屋裝修的職工更是對他在色彩和格調上的高標準頗有體會。

王大中除了具備老一輩科學家生活簡樸、淡泊名利等可貴特質，同時也多才多藝、樂觀開朗。

他曾是學生舞蹈隊的主力，難度很高的鄂爾多斯舞跳得極其出色。10年前的清華百年校慶晚會上，王大中與清華舞蹈隊新老舞蹈隊員共跳鄂爾多斯舞的場景讓他的學生們印象深刻。

女兒王奕眼中的王大中則更生動有趣：“小的時候，他教我騎自行車，夏天帶我到山里的水庫教我游泳，冬天在清華荷花池教我溜冰，記得有一年還帶著我做了各式各樣新穎的賀年卡。爸爸總是鼓勵我勇于嘗試新鮮的事物?！?/p>

無論是作為科研團隊帶頭人，還是一校之長，王大中對事業(yè)盡心盡責，慮遠謀近、嘔心瀝血，始終保有強烈的責任意識和擔當精神，他的遠見卓識、崇高品格贏得了廣大師生和業(yè)界的高度贊譽。青年學生們親切地稱他為“一位真正讓人尊敬的慈祥長者”“一位務實而嚴謹?shù)恼贫嫒恕薄耙粋€稱職且兼愛的校長”。在他們眼中，王大中“永遠是清華人的榜樣”。