王大中與清華大學的核能研究

游戰(zhàn)洪 劉年凱 李玉簫

2021年11月3日，中國2020年度國家科學技術獎勵大會在北京人民大會堂隆重召開，第十屆全國政協(xié)常委、清華大學原校長、清華大學核能技術設計研究院原院長兼總工程師王大中院士榮獲“國家最高科學技術獎”。

建堆建人

1953年夏，王大中從南開中學高中畢業(yè)，考入清華大學機械系。1955年秋，清華大學從各系二年級中選出46位優(yōu)秀學生到工程物理系（簡稱工物系），組成物八班。王大中從機械系調(diào)入物八班，成為工物系第一批學生。

到了高年級分專業(yè)時，王大中并沒有像其他成績優(yōu)秀的同學那樣選擇核物理專業(yè)，而選擇了反應堆專業(yè)，并將其作為自己畢生鉆研的主攻方向。1958年7月，王大中大學畢業(yè)，成為中國第一批原子能專業(yè)畢業(yè)生。他留校工作，首先參加了清華大學屏蔽試驗反應堆的設計與建設。

屏蔽試驗反應堆為設計新的原子反應堆（特別是動力堆）以及防放射性的國防與工業(yè)建筑提供屏蔽設計的數(shù)據(jù)。此外，還附設一座零功率實驗反應堆，供新設計的原子反應堆做物理模型實驗。當時從蘇聯(lián)進口了兩套輕水實驗堆元件，其中一套由教育部撥給清華大學，計劃在校內(nèi)建設一座功率為2000千瓦的輕水屏蔽實驗堆。

工物系副主任兼反應堆教研組組長呂應中，帶領一支以清華大學工物系年輕教師和高年級學生為骨干、平均年齡只有23歲半的百來人科研隊伍，在政治運動不斷、經(jīng)濟特別困難、沒有中外專家指導、經(jīng)驗缺乏、器材匱乏的艱難條件下，排除各種干擾和困難，一舉建成屏蔽試驗反應堆。1960年3月5日，屏蔽試驗反應堆（代號“901堆”）工程正式破土動工。1964年9月20日，零功率反應堆首次啟動，一次成功運行。9月27日，屏蔽試驗反應堆手動啟動一次成功，10月1日自動啟動再次成功。這是中國科學家和工程師自主設計、建造、安裝和成功運行的原子反應堆，在多用途設計、自動化程度和安全性能方面超過了外國原參考設計的水平，為新中國核能事業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了一批能“真刀真槍”設計、建造、運行、操作核反應堆的專業(yè)技術人才。

由于保密需要，由901堆發(fā)展成的核能研究基地最初叫做清華大學試驗化工廠（簡稱試化廠）；1979年改名為核能技術研究所（簡稱核能所）；1990年更名為核能技術設計研究院（簡稱核研院）；2003年改名為核能與新能源技術研究院。由于最初的工程代號為“200”，清華人一直稱核研院為“200號”。

王大中作為青年科研骨干，在建設屏蔽試驗反應堆的過程中，按照蔣南翔校長當時強調(diào)的“建堆建人，在實戰(zhàn)中成長”“敢想敢干敢轉行”要求，從做模型、跑材料、土建安裝到調(diào)試運行，全程參與建堆。從反應堆物理設計，到反應堆零功率物理實驗，再到反應堆熱工水力學設計與實驗，他邊干邊學，每次都創(chuàng)造性地完成了任務。通過實踐歷練，他拓寬了專業(yè)知識領域，掌握了核反應堆理論分析方法及實驗研究的技能，鍛煉和提高了解決工程實際問題的能力。

屏蔽試驗反應堆建成后，呂應中帶領200號的科研骨干，信心百倍，開始研究和設計新型反應堆。但好景不長，“文化大革命”席卷全國，清華大學首當其沖，200號的科研工作被迫中斷，呂應中被轉到北京衛(wèi)戍區(qū)關押，王大中與其他技術骨干也受到?jīng)_擊。

1968年，呂應中在獄中動手設計出一種先進反應堆——增殖堆。增殖堆采用中國儲量豐富的核燃料——釷，生產(chǎn)出的核燃料比消耗掉的核燃料多。1969年，他通過當時的工宣隊向中央上交《關于研究“釷增產(chǎn)堆”的建議》。建議引起中央的重視，周恩來總理先后作兩次批示。中央后采用呂應中的建議，決定在清華大學200號建設釷增殖堆，代號“03—820”工程。

“820”工程的目標是建成一座釷增殖堆核電站，設計熱功率10萬千瓦，電功率2.5萬千瓦。釷增殖堆是用鈾—235做燃料，利用鈾裂變產(chǎn)生的剩余中子使釷—232轉變?yōu)橐环N新的可裂變核燃料——鈾—233。工程于1969年底開始，200號集中力量，開展科研與設計。1970年底，學校從江西鯉魚洲農(nóng)場調(diào)回下放勞動的部分教職工，參與“820”工程建設。王大中于1971年年中被調(diào)回，最初負責建立鉛鉍合金的熱工實驗回路，后擔任反應堆總體室主任。

“820”工程上馬時，選擇鈾—鉍堆方案。該方案采用熔融的鈾—鉍合金做堆芯燃料，含釷的氯化物熔鹽做增殖層。1972年，鈾—鉍堆方案改為熔鹽堆方案，燃料改為氟化鈾—氟化釷—氟化鋰—氟化鈹。由于熔鹽堆的關鍵技術仍難以攻克，1974年又將釷增殖堆改為雙球氣冷堆方案?！?20”工程從1970年上馬到1976年，終因關鍵技術未能突破，國家計委和建委于1979年決定工程停建。事后，王大中總結認為，“820”工程夭折的首要原因是對釷增殖堆研發(fā)難度的估計不足。當時確定的工程目標過高，限期工程過短，致使項目難以完成。

“實現(xiàn)了一個奇跡”

高溫氣冷堆是1960年代開始發(fā)展起來的一種先進的反應堆，以氦氣做冷卻劑、耐高溫的石墨材料為慢化劑，堆芯溫度限值高達1600℃，出口溫度可達950℃，能獲得更高的發(fā)電效率。相比之下，壓水堆核電站一回路壓力殼冷卻劑出口溫度約325℃，進口溫度約290℃；二回路蒸汽溫度275～290℃，發(fā)電效率33%～34%。高溫氣冷堆出來的氦氣直接推動氦氣透平發(fā)電，其發(fā)電效率可達45%～47%，高于重水堆和輕水堆。

1980年，聯(lián)邦德國科學家提出新一代模塊式高溫氣冷堆概念，技術特點有：小型化，通過降低單堆的功率和功率密度，使反應堆在任何事故情況下，都可以將堆芯剩余發(fā)熱通過導熱和輻射載帶出去，具有固有安全特性；模塊式，把反應堆設計成一個中小型的標準堆（如熱功率為20萬千瓦），便于在工廠中高質(zhì)量地批量加工制造，當需要建設一個大的核電站時，可把多個反應堆并聯(lián)起來，經(jīng)濟且靈活；球床堆芯，用球形燃料元件組成反應堆堆芯，可隨時連續(xù)裝卸核燃料，無需定期停堆拆卸更換燃料元件，提高了核電站的可利用率以及反應堆的功率輸出和安全性。

核能所最早接觸高溫氣冷堆的是呂應中。1966年，英國主辦高溫氣冷堆國際會議，清華大學派代表團參加。呂應中作為副團長參會，開始了解高溫氣冷堆，并在會上結識聯(lián)邦德國核能專家、于利希核研究中心反應堆發(fā)展研究所所長、“球床高溫氣冷堆之父”蘇爾登（R. Sculten， 1923—1996）博士。“820”工程改為雙球氣冷堆方案后，呂應中開始研究和部署高溫氣冷堆的一些關鍵技術，如包覆顆粒燃料元件，鈾、釷燃料后處理，氦氣發(fā)電等。1979年，蘇爾登應邀來核能所講學，推動了高溫氣冷堆在中國的研究與中德技術合作。他除講授高溫氣冷堆的基本知識外，還著重介紹聯(lián)邦德國設計、建造與運行高溫氣冷堆的主要經(jīng)驗與教訓，并表示愿意接受核能所四位科學家到于利希核研究中心工作，學習高溫氣冷堆計算機程序等。

1980年下半年，王大中獲聯(lián)邦德國洪堡獎學金，去亞琛工業(yè)大學進修高溫氣冷堆專業(yè)。他先在德國歌德學院學了四個月的德語，1981年1月，到達于利希核研究中心。

1979年3月28日，美國三哩島核電站發(fā)生堆芯熔化的嚴重事故，在國際核能界引起很大的震動。該事故直接影響王大中進修的課題方向，他在蘇爾登開出的四個研究課題中，果斷選擇了“模塊式中小型高溫氣冷堆的設計和研究”。之所以選擇模塊式高溫氣冷堆，就是因為該堆型具有固有安全性，堆芯幾乎不會熔化。王大中在分析模塊式中小型高溫氣冷堆的固有安全性時，很快發(fā)現(xiàn)一個弱點，就是反應堆做得較細長，功率較小，當時單堆熱功率最高只能達到25萬千瓦。

導師蘇爾登明確告知不可能提高模塊式中小高溫氣冷堆的單位功率，但王大中仍堅持研究如何在不超過1600℃的情況下擴大功率。他做了一百多個方案的設計、計算、分析，憑借國內(nèi)跟同事一起研究釷高溫氣冷增殖堆雙區(qū)球床堆芯方案時積累的經(jīng)驗，提出雙區(qū)球床堆的新概念——環(huán)形堆芯模塊式高溫氣冷堆，堆芯最熱的內(nèi)環(huán)用石墨球代替燃料球，外環(huán)全部布置燃料球，使模塊式高溫氣冷堆的設計功率一下子提高到50～60萬千瓦。

有了設計概念和理論模型后，下一步就是計算分析。當時聯(lián)邦德國有關石墨研究的模型有很多，聯(lián)邦德國電氣中心擁有歐洲尖端的計算機和成套的軟件，對外國學者開放。王大中充分利用這個有利條件，為確定石墨環(huán)形布置能降低多少溫度進行了大量的計算分析。蘇爾登對這個結果十分贊賞，興奮地說：“過去認為單堆功率提高10%就很不容易了，現(xiàn)在你的設計一下子提高了一倍多，這是很了不起的，應該申請發(fā)明專利?！?/p>

王大中馬上向呂應中匯報，清華大學支持他申請專利。經(jīng)蘇爾登推薦，專利“一種在嚴重事故下具有安全自穩(wěn)定性的球床核反應堆”很快獲得聯(lián)邦德國專利局的批準，并且分別向美、英、法、日、意、蘇等國專利局進行了登記。于利希核研究中心設有專利辦公室，他們出錢支持王大中申請專利，且明確了中國完全有權利使用這項專利，專利發(fā)明人就王大中一人。聯(lián)邦德國報紙報道說：“中國人實現(xiàn)了一個奇跡！”

申請完專利后，蘇爾登建議王大中在這個基礎上撰寫論文。經(jīng)向學校匯報請示后，王大中接著進行環(huán)形球狀堆的概念設計。反應堆設計是綜合性的工作，包括中子物理計算、熱工水力學設計與計算、堆芯結構設計及主要設備的選型等，通常需要物理、熱工、結構、設備等多方面的專家共同合作才能完成。五個月夜以繼日地工作，他獨自完成了反應堆設計，打印結果的程序紙穿孔折疊起來有三米多高。

蘇爾登等專家對此設計感到十分滿意，建議王大中把這項成果寫成博士論文。王大中用德文寫作、答辯，并以“全優(yōu)”成績通過論文答辯。1982年9月，他獲得亞琛工業(yè)大學自然科學博士學位。

從跟跑、并跑到領跑

1982年10月，王大中回國，在清華大學擔任核能所副所長，主持對原有屏蔽試驗反應堆的技術改造，以及低溫核供熱試驗。1983年11月14日，改造后的屏蔽試驗堆低溫供熱系統(tǒng)投入運行，對核能所三座實驗大樓共1.62萬平方米的建筑面積進行供暖。供暖持續(xù)50多天，現(xiàn)場監(jiān)測表明，核供熱對環(huán)境并無污染。1984年2月21日，這項實驗成果通過技術鑒定，國家教委技術鑒定委員會一致認為：“清華大學核能技術研究所利用反應堆的余熱供暖，在技術上是可行的，運行是安全的，供暖效果良好。這次實驗的成功，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了實驗規(guī)模的核供熱，開辟了一條核能應用的新途徑，對進一步發(fā)展地區(qū)性的工程規(guī)模的低溫核供熱起了一定的促進作用?！?/p>

1980年代中期，王大中主持設計與研制成功5兆瓦低溫核供熱堆，該堆具有一體化、自穩(wěn)壓、自然循環(huán)冷卻、非能動余熱載出等先進特性。5兆瓦堆于1986年3月開工建造，1989年11月建成投入運行。低溫供熱堆工作壓力1.5兆帕，堆芯出口溫度198℃，三回路供水溫度可達150℃。1989—1992年，連續(xù)三年為清華大學核研院5萬平方米的建筑物供暖，成為世界上第一座投入運行的一體化自然循環(huán)殼式低溫核供熱堆。它不僅可用于民用采暖，而且在工業(yè)上的應用前景廣闊，例如同時兼顧工業(yè)用汽的需要、低溫發(fā)電，熱電聯(lián)供、建筑物大面積制冷、海水淡化等。1990年，國內(nèi)首次評選“十大科技新聞”，5兆瓦低溫核供熱堆入選；1991年獲國家教委科技進步特等獎；1992年獲國家科技進步一等獎。1995年3月5日，低溫核供熱堆作為取得突破性進展的五項重大研究項目之一，被列入《政府工作報告》中。

1985年，王大中出任清華大學核能所所長；1991年起擔任清華大學核研院院長；1987—1993年，擔任國家“863”高技術計劃能源領域的首席科學家，具體領導研究、設計10兆瓦模塊式高溫氣冷堆。1992年，經(jīng)國務院批準，10兆瓦高溫氣冷堆正式立項，1995年開工興建，2000年建成達到臨界，2003年完成72小時滿功率并網(wǎng)發(fā)電運行。該堆是世界首座投入運行的模塊式球床高溫氣冷實驗堆，采用模塊式高溫堆設計概念和“肩并肩”式設計布置、非能動衰變熱載出系統(tǒng)、包覆顆粒球形元件與新型燃料元件裝卸系統(tǒng)、全數(shù)字化控制與保護系統(tǒng)，具有良好的固有安全性。2003年2月27日，10兆瓦高溫氣冷實驗堆通過教育部組織的科技成果鑒定，鑒定意見認為：“10兆瓦高溫氣冷實驗堆的建造是在長期大量科學研究工作的基礎上，充分吸取國際上先進經(jīng)驗，自行研究開發(fā)、自主設計、自主制造、自主建設、自主運行的世界上第一座具有非能動安全特性的模塊式球床高溫氣冷堆。10兆瓦高溫氣冷實驗堆的建造成功標志中國在高溫氣冷堆技術領域已達到世界先進水平，是中國自主研究和開發(fā)先進核電技術取得的一項重大成果，為中國以及世界核能事業(yè)的發(fā)展做出了重要的貢獻?！?/p>

1993年，王大中當選中國科學院學部委員。1994—2003年，任清華大學校長，與學校黨政領導班子帶領全校師生員工，按照“綜合性、研究型、開放式”的總體辦學思路以及“三個九年，分三步走”的總體發(fā)展戰(zhàn)略，加快清華大學建設世界一流大學的步伐。其間，清華大學基本完成綜合性學科布局，研究型大學初具規(guī)模，開放式辦學態(tài)勢初步形成，人才培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)提高，學校總體辦學實力、科研實力以及國內(nèi)外影響力顯著增強，這是清華大學史上發(fā)展最快的時期之一。

任清華大學校長期間，王大中仍兼任核研院總工程師，直到2007年才卸任。他始終參與10兆瓦高溫氣冷實驗堆的重要工作。2003年4月，從清華大學校長崗位退下后，他受聘參加制訂《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，擔任“能源、資源與海洋”專題戰(zhàn)略研究組組長，主持領導有關領域專家完成該專題的戰(zhàn)略研究報告，提出“2035年前后中國成為核大國”的戰(zhàn)略目標。

2006年2月，“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”被列為《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》16個重大專項之一。2012年12月，高溫氣冷堆核電站示范工程在山東石島灣正式開工興建。2021年9月12日，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程1號反應堆首次達到臨界狀態(tài)。12月，清華大學與中國華能集團、中國核工業(yè)集團共同研發(fā)建設的全球首臺具有固有安全性的模塊式高溫氣冷堆核電站并網(wǎng)發(fā)電，在世界范圍內(nèi)率先完成第四代核電技術落地，實現(xiàn)了中國在該領域從跟跑、并跑到領跑的飛躍。

培育中德友誼之花

王大中不僅在核反應堆工程與安全領域取得了令世界矚目的輝煌成就，任清華大學核能所所長、核研院院長和校長期間，還在促進中德兩國的科技交流、發(fā)展中德友好關系方面，同樣留下許多佳話。

1989年，清華大學5兆瓦低溫供熱堆成功臨界運行后，弗萊厄（H. Frewer）博士發(fā)來賀電稱：“這不僅在世界核供熱反應堆的發(fā)展方面是一個重要的里程碑，同時對解決在中國以及其他很多國家存在的污染問題方面也是一個重要的里程碑?！甭?lián)邦德國西門子電站聯(lián)盟反應堆概念及發(fā)展部高級經(jīng)理戈茲曼（G. A. Goetzmann）也發(fā)來賀電：“你們的試驗供熱堆是世界上第一座這種類型的模式堆……這種類型核供熱站將為緩解中國的煤炭運輸壓力，并以較低廉的價格提供不污染環(huán)境的清潔能源等問題做出重大貢獻?！?/p>

1986年4月26日，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生堆芯熔化的嚴重事故，大量放射性物質(zhì)外逸。到1980年代末，高溫氣冷堆在全世界的發(fā)展面臨非常困難的局面。德國當時也取消了所有先進反應堆的發(fā)展計劃，包括高溫氣冷堆、快中子反應堆等。1990年9月，于利希研究中心根據(jù)1985年與清華大學核能所簽署的合作進行高溫氣冷堆技術研究的協(xié)議，將一批關鍵設備包括試驗回路氦風機、氦氣凈化系統(tǒng)、高壓氦氣壓縮機、高壓氦氣罐及氦氣閥門等40項54臺件，無償贈送并運抵核能所。經(jīng)過多年努力，1995年5月10日，在中國外交部、外經(jīng)貿(mào)部、國家科委、核工業(yè)總公司和國家核安全局的大力支持、指導和幫助下，在德國友好人士的協(xié)助下，經(jīng)巴黎統(tǒng)籌委員會批準，德國核化學冶金公司無償贈送給清華大學核研院的高溫氣冷堆燃料元件全套制作設備安全運達。這套燃料元件制造設備的成功引進，對于保證10兆瓦高溫氣冷堆的建成，具有重要意義。

1 9 9 5年7月，德國核能專家戈茨曼（C. A. Goetzmann）退休后，給王大中寫了一封要在清華大學核研院攻讀博士學位的申請信。他在信中寫道：“您可能會驚訝，我為什么選擇了貴校核研院？我對這個問題的答案有兩點。一是基于在開發(fā)中國供熱堆的早期工作中，我與核研院的許多專家有過很廣很深的技術聯(lián)系。對我有吸引力的是，核研院的聲譽和其不同學科的專家之間的合作。在我看來，與他們一起工作，配合得比我渴望的以及我所經(jīng)歷的許多還要好。第二個原因就是，我堅信中國在下個世紀將在世界上起到非常重要的作用，能有機會見證這一發(fā)展并為此做些工作，不管多么小，也必將給我很大的滿足。”在王大中的指導下，他選擇了低溫堆技術擴展的技術選擇作為博士論文主題。經(jīng)過三年，他完成了博士論文，論文對提高中國小型沸水堆的經(jīng)濟性做了很多分析，論證了“規(guī)模經(jīng)濟”的適用條件，并提出了不少新的設計理念，比如靠反應堆的設計特性減少安全系統(tǒng)。

王大中擔任清華大學校長期間，清華大學與亞琛工業(yè)大學開始合作舉辦“共同研究、共同學習”雙碩士學位聯(lián)合培養(yǎng)項目，這是清華大學與國外高校間開展的首個雙學位項目，1999年，中德雙方教育部部長簽署協(xié)議，自2001年正式啟動項目。

（作者游戰(zhàn)洪系清華大學圖書館副研究館員，劉年凱系清華大學科學史系助理教授，李玉簫系清華大學電子工程系2018級直博生。）

關鍵詞：王大中 清華大學 核能研究 ■