軟件尋突破　筑中國(guó)核電根基

于海軍

4月的陜西西安，櫻花盛開(kāi)，春意盎然。在西安交通大學(xué)校園內(nèi)，樹(shù)木郁郁蔥蔥，學(xué)子意氣風(fēng)發(fā)，處處散發(fā)著生機(jī)與活力。核工程計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室NECP團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NECP團(tuán)隊(duì)”）的成員正在緊張而忙碌地工作。

長(zhǎng)期以來(lái)，NECP團(tuán)隊(duì)在負(fù)責(zé)人吳宏春教授的帶領(lǐng)下，持續(xù)攻關(guān)核反應(yīng)堆高保真數(shù)值模擬與創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)中的“卡脖子”問(wèn)題，研發(fā)了一系列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)堆芯物理分析軟件和創(chuàng)新技術(shù)，其成果不僅打破了國(guó)外長(zhǎng)期技術(shù)封鎖，而且在我國(guó)核能諸多工程中得到成功應(yīng)用，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

黨的二十大報(bào)告指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。作為科技、人才和創(chuàng)新重要結(jié)合點(diǎn)的西安交大NECP團(tuán)隊(duì)，在中國(guó)核電領(lǐng)域10余年的默默耕耘結(jié)出累累碩果，輝煌成績(jī)背后彰顯著時(shí)代擔(dān)當(dāng)。

2021年1月30日，全球第一臺(tái)“華龍一號(hào)”核電機(jī)組—中核集團(tuán)福建福清核電5號(hào)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在三代核電技術(shù)領(lǐng)域躋身世界前列，成為世界上為數(shù)不多的真正掌握自主三代核電技術(shù)的國(guó)家。

在“華龍一號(hào)”全球首堆首次啟動(dòng)試驗(yàn)中，西安交通大學(xué)NECP團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的核電工業(yè)軟件，成功高精度地預(yù)測(cè)了該機(jī)組首次啟動(dòng)的臨界硼濃度，充分展示了我國(guó)核電自主化中的“軟”實(shí)力，并為核電機(jī)組的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

核電廠通常采用硼酸溶液來(lái)控制堆芯的反應(yīng)性，硼濃度預(yù)測(cè)極其重要。

“我們可以將核反應(yīng)堆啟動(dòng)類(lèi)比為汽車(chē)點(diǎn)火發(fā)動(dòng)，從點(diǎn)火到穩(wěn)定運(yùn)行是最關(guān)鍵的過(guò)程。如何精確預(yù)測(cè)堆芯臨界狀態(tài)下的硼濃度，對(duì)于核反應(yīng)堆的安全啟動(dòng)至關(guān)重要?！盢ECP團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人吳宏春教授表示。

為了實(shí)現(xiàn)真正的自主創(chuàng)新，NECP團(tuán)隊(duì)十余年來(lái)克服種種困難，潛心攻關(guān)核電工業(yè)軟件的關(guān)鍵技術(shù)，終于取得突破，成功研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)壓水堆堆芯物理分析軟件Bamboo-C和數(shù)值反應(yīng)堆高保真堆芯計(jì)算軟件NECP-X，分別應(yīng)用到華龍一號(hào)全球首堆的高精度建模計(jì)算，首次臨界硼濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差僅1ppm和9ppm，計(jì)算精度顯著高于設(shè)計(jì)軟件，讓國(guó)產(chǎn)的華龍一號(hào)用上了國(guó)產(chǎn)“心”，實(shí)現(xiàn)了工程試用，打通了最后一公里。

西安交大核工程計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室（NECP）科研團(tuán)隊(duì)

人無(wú)我有，人有我優(yōu)。目前，NECP團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的先進(jìn)堆芯物理分析軟件已經(jīng)基于我國(guó)商用壓水堆核電廠100余堆年的運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，完成了軟件的工業(yè)確認(rèn)，對(duì)堆芯關(guān)鍵物理量的計(jì)算精度均滿(mǎn)足工業(yè)限值要求，達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)軟件的領(lǐng)先水平。

從西安一路向東，來(lái)到千里之外的江蘇省連云港市，在山海之間矗立著一座座高大的核反應(yīng)堆，這里就是田灣核電站。

田灣核電站是全球在運(yùn)和在建總裝機(jī)容量最大的核電基地。目前，西安交通大學(xué)NECP團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的先進(jìn)壓水堆堆芯物理分析軟件Bamboo-C已經(jīng)成功應(yīng)用于田灣核電站5、6號(hào)機(jī)組的運(yùn)行技術(shù)支持。

長(zhǎng)期以來(lái)，NECP團(tuán)隊(duì)在打牢傳統(tǒng)工程應(yīng)用基礎(chǔ)的同時(shí)，根據(jù)目前核電廠的應(yīng)用需求，進(jìn)一步提升技術(shù)革新能力，更好地保障核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，其軟件成果在應(yīng)用中得到了核電業(yè)主的高度肯定。

據(jù)了解，通過(guò)田灣核電站兩臺(tái)機(jī)組共5個(gè)燃料循環(huán)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明，Bamboo-C軟件對(duì)田灣核電站M310型機(jī)組各堆芯關(guān)鍵安全參數(shù)和運(yùn)行物理參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，與實(shí)測(cè)值之間的誤差均滿(mǎn)足工程限值要求，而且達(dá)到了較高的預(yù)測(cè)精度。

根據(jù)田灣核電站在核反應(yīng)堆運(yùn)行方面提出更高安全性和經(jīng)濟(jì)性的重大需求作為牽引，NECP團(tuán)隊(duì)基于Bamboo-C軟件自主研發(fā)了兩項(xiàng)革新技術(shù)——?jiǎng)討B(tài)通量測(cè)量技術(shù)和堆外探測(cè)器單點(diǎn)校刻技術(shù)。據(jù)悉，動(dòng)態(tài)通量測(cè)量技術(shù)目前已經(jīng)在田灣核電站5號(hào)機(jī)組第2燃料循環(huán)換料大修中得到了充分的應(yīng)用驗(yàn)證，可以將現(xiàn)行試驗(yàn)技術(shù)要求的等待超過(guò)24小時(shí)縮短至2小時(shí)，極大地縮短了堆芯升功率臺(tái)階所需的等待時(shí)間，顯著提高了核電廠的經(jīng)濟(jì)性。

不僅如此，基于Bamboo-C軟件研發(fā)的堆外探測(cè)器單點(diǎn)?？碳夹g(shù)，目前已經(jīng)根據(jù)5、6號(hào)機(jī)組5個(gè)燃料循環(huán)共120余次?？淘囼?yàn)數(shù)據(jù)完成了技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證，獲得的堆外探測(cè)器?？滔禂?shù)對(duì)堆芯功率水平和軸向功率偏差小于0.3%，不僅具有很高的?？叹?，而且僅需要一次堆芯通量測(cè)量試驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)高精度校刻，可以避免現(xiàn)行技術(shù)要求對(duì)堆芯的多次人為擾動(dòng)，顯著提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

中核集團(tuán)江蘇核電有限公司技術(shù)支持處高級(jí)主任工程師潘澤飛表示，西安交通大學(xué)NECP團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的Bamboo-C軟件及其先進(jìn)核電技術(shù)在田灣核電站應(yīng)用中取得很好的效果，能夠顯著地提高壓水堆核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性，并創(chuàng)造非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

在8臺(tái)機(jī)組全部建成后，田灣核電基地總投資超過(guò)1500億元，裝機(jī)總量超900萬(wàn)千瓦，每年可提供清潔電力超過(guò)700億千瓦時(shí)，將有力推動(dòng)江蘇省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，維護(hù)華東電網(wǎng)安全和區(qū)域能源供應(yīng)安全，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)。

在我國(guó)核電發(fā)展的歷史進(jìn)程中，從設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)營(yíng)均存在諸多技術(shù)難題。其中，壓水堆核設(shè)計(jì)軟件更是長(zhǎng)期受?chē)?guó)外技術(shù)壟斷，成為我國(guó)核電技術(shù)發(fā)展中的“卡脖子”難題。

由于核電設(shè)計(jì)軟件研發(fā)理論難度大、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，我國(guó)早期投入不足，開(kāi)發(fā)過(guò)程面臨重重困難。而且，第三代核電技術(shù)本身十分先進(jìn)，加之我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的“華龍一號(hào)”有非常多創(chuàng)新之處，并無(wú)國(guó)外現(xiàn)成的技術(shù)可供參考。

就在這樣困難而艱巨的任務(wù)中，NECP團(tuán)隊(duì)卻當(dāng)起了“第一個(gè)吃螃蟹的人”， 他們迎難而上，摸著石頭過(guò)河。

“我們不僅要突破‘卡脖子’技術(shù)，還要做得比國(guó)外更先進(jìn)?！?吳宏春表示，“強(qiáng)國(guó)不能沒(méi)有核電，科技報(bào)國(guó)是我們的心愿，就是再苦再難也要突破技術(shù)難關(guān)，不能讓人家卡我們的脖子?！?/p>

任何突破與成果的取得并非一蹴而就，核電科研攻關(guān)更是如此。至今，NECP團(tuán)隊(duì)成員萬(wàn)承輝副教授都無(wú)法忘記那段攻堅(jiān)克難的艱苦時(shí)光。每天早上7點(diǎn)不到就去實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)之后才回家，無(wú)數(shù)個(gè)沒(méi)日沒(méi)夜科研攻關(guān)的日子早已成為家常便飯。

強(qiáng)大的科研壓力，更是讓萬(wàn)承輝大把大把地掉頭發(fā)。記不清從什么時(shí)候開(kāi)始，他已經(jīng)養(yǎng)成了沾枕頭就能睡著的“好習(xí)慣”。

“印象最深刻的一次是乘飛機(jī)去外地調(diào)研交流，想趁著飛機(jī)起飛前閉眼休息下，結(jié)果再睜眼時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)還在地面，后來(lái)才知道飛機(jī)已經(jīng)到達(dá)目的地了?！比f(wàn)承輝苦笑著說(shuō)。

縱然科研攻關(guān)的過(guò)程充滿(mǎn)艱辛，但萬(wàn)承輝卻感到充實(shí)而飽滿(mǎn)，“每天都可以朝心里的目標(biāo)一點(diǎn)點(diǎn)靠近，這樣的工作激情給了團(tuán)隊(duì)很大的支撐?！比f(wàn)承輝說(shuō)。

歷經(jīng)10余年苦心鉆研，NECP團(tuán)隊(duì)攻克了一道又一道難關(guān)，終于取得了一項(xiàng)又一項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)核電設(shè)計(jì)軟件的自主研發(fā)，并且做到核心技術(shù)完全可控，徹底擺脫了國(guó)外長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的技術(shù)封鎖。

我國(guó)自主化核電設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)，離不開(kāi)背后為其提供源源不斷創(chuàng)新支撐的“堅(jiān)強(qiáng)后盾”—西安交通大學(xué)核工程計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室（NECP團(tuán)隊(duì)）。

該實(shí)驗(yàn)室成立于2004年，其前身為1958年成立的反應(yīng)堆物理研究小組。實(shí)驗(yàn)室始終將國(guó)家責(zé)任牢記心頭，立志科技報(bào)國(guó)，長(zhǎng)期致力于核反應(yīng)堆物理創(chuàng)新研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為我國(guó)核能發(fā)展貢獻(xiàn)了重要力量。

目前，實(shí)驗(yàn)室擁有教授及副教授共9人。近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室已為我國(guó)核工業(yè)培養(yǎng)了百余名碩士和博士畢業(yè)生，他們現(xiàn)已成長(zhǎng)為各大核電集團(tuán)、研究院所或國(guó)防單位的領(lǐng)軍人才和技術(shù)骨干，一股具備核心創(chuàng)新能力的科研新勢(shì)力，正冉冉升起。

談及NECP團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，吳宏春坦言，團(tuán)隊(duì)始終踐行四種精神，即創(chuàng)新、進(jìn)取、協(xié)作、堅(jiān)持。核能研究實(shí)屬不易，但無(wú)論形勢(shì)如何變化，團(tuán)隊(duì)都始終面向國(guó)家重大科技需求，這是大家做科研興趣所在，也會(huì)一直堅(jiān)持下去。

在核電技術(shù)領(lǐng)域里，NECP團(tuán)隊(duì)不遑多讓。近年來(lái)，NECP團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了包括國(guó)家“973”、“863”、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金、國(guó)防預(yù)研等國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目50余項(xiàng)，截至目前共發(fā)表SCI論文200余篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利50余項(xiàng)、軟件著作權(quán)30余項(xiàng)，獲國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。

今年的政府工作報(bào)告指出“科技政策要聚焦自立自強(qiáng)”，科技成果轉(zhuǎn)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)至關(guān)重要。

吳宏春表示，NECP團(tuán)隊(duì)下一步將加快科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，計(jì)劃將所有軟件全部推向更廣泛的工程應(yīng)用，讓更多的創(chuàng)新性成果從理論書(shū)架走上實(shí)用貨架。

“我們想做的事就是讓中國(guó)的核電站，甚至外國(guó)的核電站都用我們的軟件，希望我們的軟件能有更多用戶(hù)，讓大家看到中國(guó)的核電技術(shù)也很棒?！眳呛甏悍Q(chēng)，未來(lái)將依托中國(guó)西部科技創(chuàng)新港，繼續(xù)從基礎(chǔ)科學(xué)研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)品化，扎根西北踐行西遷精神，科技創(chuàng)新服務(wù)國(guó)家需求。