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张作义:走在世界核能科技创新的巅峰

2015年06月25日 10:58:21 来源:清华大学藤影荷声

  讲座简介:近日,张作义教授应清华大学国家大学生文化素质教育基地、清华大学学生科协邀请,在《文化素质教育讲座》课程上发表了题为《走在世界核能科技创新的巅峰》的精彩演讲。本期清华大讲堂摘录了演讲的精彩内容,经过主办方和演讲嘉宾允许授权发布,以飨读者。

  演讲人介绍

  张作义,男,清华大学研究员,博士生导师,教育部长江学者特聘教授,清华大学核能与新能源技术研究院院长兼总工程师。兼任国家科技重大专项高温气冷堆核电站总设计师, 清华大学校务委员会委员,中国核学会常务理事,国家核电自主化专家组成员。

  讲座核心观点

  中国的核能技术已经开始走向世界领先,这得益于中国发展的大环境,也得益于研究者们的艰苦创新。清华大学在我国的核事业发展中做出了突出的贡献。建设核反应堆,实现共同的固有安全梦想,需要一代又一代人的不懈努力。

  讲座实录

  今天的讲座不仅仅是要跟大家做科普,同时也想跟大家分享一下人生的体验。我们正在做的是全球首台商业规模的四代核电的示范工程。在四代核电的首台商业示范电站项目上,中国人走到前头去了。

  1 领跑全球的核电站

  首先介绍一下清华大学牵头实施的国家科技重大专项——山东石岛湾20万千瓦核电站。在中国的高等院校,牵头重大专项只有清华,这是清华的自豪和骄傲。山东荣成石岛湾在我们国家山东最靠东的海边。清华大学的核反应实验堆是我的老师那一辈人建成的,而我2001年就任核研院的院长,在前辈的成果基础之上,要带领核研院再创辉煌。为建立核电站选厂址,我们从中国的南边,沿着海岸线转,而且还沿着长江走了很远,大概走了十余个省市。

  2008年2月,国务院常务会议上批准了”大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”科技重大专项的总体实施方案,其中有我们在做的这个项目,连科研带示范工程建设按照60亿人民币下达了资金安排,我被任命为这个项目的总设计师,作为编写组组长和大家一起完成了总体实施方案编制和报批。2008年的8月8号,在山东石岛湾开始挖地基,地基往地下挖20米。

  到了2009年的9、10月份,完成了核电站的安全评审。安全评审经历数年,大概要咱们这个屋这么多人的(300余人)专家提问题。假想各种可能出现的失误和事故。我们对每个问题都要书面回答,这些回答必须要有依据,尤其要有实验数据的支撑。我们大概回答了几千个问题。我们尤其害怕大学刚毕业的同学提问题。他可以海阔天空的问,但是有的问题是很难回答的,比如1+1为什么等于2。在最后的全国顶级核安全专家会议上,我们对可能提出的质疑做了充分的准备,预期可能提10个问题,我们就要按100个问题做出回答。我本人也准备了PPT,准备在会议上直接回答。在会议结束后,我本人已经累得坐在椅子上无法动弹,就像虚脱一样。当时引进的三代核电站也在开展安全审查,但是工作上我们累得多,因为引进技术有洋人做后盾,当时国人心里对洋人说的话似乎更加信任。

  安全审查顺利通过之后,我们准备开始正式动工。在核电行业,叫“浇第一灌混凝土”,就是说这个工程可以不可逆的往前走了。但是我们没开工,因为这是世界上最近30年来少有的具有革命性创新意义的商业示范工程,来自各方面的意见我们都要回答,国家也非常谨慎。这个等待的过程一直到2011年3月1号,温家宝总理主持的国务院常务会议批准了这个项目,终于可以启动了!当时我们欢呼雀跃就准备去做了。要知道,这个机会,美国人努力过,德国人努力过,南非人也努力过,日本人也一直在坚持,最后,有可能在中国,由一个大学牵头,就要抓住了。结果在公文从中央下达过程中,3月11号,日本大地震导致福岛核电站反应堆所在厂房发生爆炸,堆芯熔化,放射性大量外泄。3月14号,国务院紧急召开会议,整顿全国的核电站。会议过后,当时还没开工的核电站全部暂停,所有在建的核电站要进行安全大检查。当时我的感觉是,“大水冲了龙王庙”,本来我们这个技术的最大亮点就是固有安全,就是要实现一种反应堆,即使发生比福岛更严重的事故,没有水也没有电,反应堆也不会发生严重事故。但是,福岛核电站事故最先直接冲击的就是我们这样的项目。

  之后我们进入等待期,接受了安全大检查,回答了各种问题,直到2012年的12月9号,我们得到国务院的批准,浇了第一灌混凝土。成了全球在福岛核电站事故后第一个正式开工建设的核电站项目。

  核电站和普通电站区别在哪里呢?最重要的是核电站里头的核反应堆模块。核反应堆模块要通过核裂变来加热水成为高温高压蒸汽,然后水蒸气送到汽轮机发电。根据目前的设计,核电厂从开始运行到退役的周期是40年,产生的所有核废物装在一个大约1000平米的房间内就足够了。这就是核电厂跟别的电厂相比的优势。一个类似规模的烧煤的电厂,一年要烧掉近百万吨的煤,废物的存放、处理消耗巨大。

  到了2013年年底,在山东石岛湾的核电站已经基本上建设到了跟地面平行的位置。2014年已经达到地面以上20米。到今年年中,核电站厂房就要封顶,总重量达700多吨的反应堆压力容器,就要完成在上海的制造,运到山东现场开始安装。我家住在8楼,我经常想,制造完成的这个压力容器大概就是8层楼高,能够制造这种容器的国家不会超过2-3个,已经达到了世界高端制造业的顶尖水平。而这个容器的设计和技术支撑,就来自清华的老师。

  2 研究生时代安全的核能梦想

  目前中国在高温气冷反应堆技术上已经取得了世界领先地位,这个已经得到了其他国家的承认。俄罗斯OKBM研究院的领导送给我们一个礼品,礼品上写着“to the leader”,要知道这个研究院搞过几百个核反应堆。前苏联的核潜艇,快中子反应堆,包括现在正在建造的浮动式核电站,都来自这个研究院。

  人类文明必须要有电,发电需要能源;但是现在我们中又有很多人希望做环保主义者。我曾经跟德国的绿色和平主义者对话,我问他们:“你不是想要好的生活吗?那你不需要电力吗?不需要汽车吗?如果都不要的话,那你怎么维持生活?”他们的回答是:“人类环境是有一定承载力的,人类要消耗能量,但是不能超出环境的承载力。”我当时觉得很有道理。但有别的德国人后来跟我说,这些环保主义者都是嘴上一套,背后一套。他们的奔驰车不会丢掉,冬天的供暖也不会停掉。人类文明需要能源,但是有能源就必定要直面并努力去降低污染。即使德国人真的能实现可再生能源为主体的能源结构,但是这个世界是一个竞争的世界,德国人不可能独立建设一个理想国,他们的企业缺乏竞争力怎么办。我小的时候住在海边,整天看到港口里停的都是挂满打着补丁的帆的帆船,终于有一天,帆船没了,时代进步了。当年中国人开着帆船去对垒洋火轮的时候,结果只能是割地赔款。

  这个图片给大家看到的是瑞士的一个核电厂。排出来的东西只有水蒸气,核电厂周边是非常漂亮的。如果能安全利用原子能的话,真的是非常美好的,因为原子能发电的排放几乎为零。但是一旦出现重大核事故后果就会非常严重。核安全问题是人类面临的一个重大问题。如果原子能能把安全问题解决了,那么PM2.5问题也就比较容易解决了。所以核安全的难题是世纪性的难题。

  人类真的没法解决这个问题吗?实际上这个问题实际上是很简单的问题,有高中物理背景的人就能理解。核裂变终止后会存在衰变热。产生多少能量,就能计算发生了多少次核裂变,也就能够精确知道裂变终止后衰变的能量的大小,可以精确到小数点后的几位。这个能量大约是反应堆满功率运行时的百分之几。你们知道百分之几的能量有多大吗?大约有几万千瓦。在福岛,这些能量在大约一个小时的时间内就能把反应堆给烧穿了。要防止烧穿,只需要简单计算几万千瓦的能量在一个小时里能够把多少吨的水烧开了成为蒸汽。计算的结果让人惊奇,一小时大约10吨的水,也就是一小时开一辆消防水车运过去的水量就能够把反应堆冷却下来。所以解决这个问题很简单,只要一个水管,加上一个小时10吨水。

  可惜的是,就是这么简单的要求,那么多的日本人,集全国之力也没有解决。现在看来,那个反应堆就像是一个高压锅,即使有水,有管道,也不一定能够注进去。而且时间很短,也就1小时左右的时间,几个请示就没有了。后来专家又发明一个办法,叫抽水马桶。把水放在高处,到时别忘记拉一下,也能解决问题。

  但人类还有另一种思路,就是从物理学的定理出发。如果有更加坚固的材料例如碳化硅等,使核反应堆的堆芯耐更高的温度。如果能够将反应堆每个单位空间产生能量减少,也就是降低功率密度,同时选择一个合适的散热表面面积。人们总能够通过求解能量守恒方程和傅里叶导热方程,仅仅依靠导热和辐射,甚至不考虑气体的自然对流,总能找到一个合适的反应堆的功率,这个反应堆在任何情况下的最高温度不会超过材料失效的温度。这个题目同学们用中学的物理知识就能解。我们求解的结果,就是大约在每个反应堆热功率是25万千瓦,转换成发电功率是10万千瓦的时候,能够实现这个目标。全世界目前唯一能够按照这个机理实现的反应堆,并且做到跟商业化推广同等大小的反应堆,我们是头一个。这就是实现我们梦想的核心理念。

  2004年的时候,我们在清华大学200号基地的10MW高温气冷实验堆用实际运行的反应堆做了一个实验。当反应堆在正常运行时,突然让它完全丧失把能量带走的电力,让反应堆干烧,这相当于2011年福岛遇到的情况。我们当时做的,甚至走的更远,也就是控制棒没有下落,相当于没踩刹车,让反应堆自己解决。结果,反应堆依靠自身的物理特性,自己停了下来,能量通过表面自然散发,没有任何问题。实验过后反应堆可以继续开动运行。当然这样的实验是在国家核安全局的严格监管下进行的,事先必须证明万无一失。当时国际原子能机构组织了20-30个国际专家来观摩。将来在建成的商用核电厂上,也能够做这样的实验。

  3 掌握核心技术,走在世界前沿

  我们这一代中国人真的没有想到过会走到世界的巅峰。我们现在整天喊建设世界一流大学,还是没有自信的表现。当我们扎根于中国这块大地,踏踏实实地去帮助解决13亿人过上小康生活所面临的问题和挑战,保持中国第一的水平。当这个国家成功时,我们就肯定是世界一流了。那个时候哈佛MIT都要来学习我们。

  过去十年我们为了实现建设世界首台四代核电的商业示范电站费尽心机。有一些技术的决策是非常艰难的,因为前面已经没人了。这些决策有的大概要花超过半年时间,期间非常非常痛苦,稍有不慎就会导致几十亿的项目失败,真的到了茶饭不思的状况。现在主要关键技术已经得到解决,我们非常高兴的是,这些一个个的决策走到现在证明是正确的。清华大学牵头建成的这个电站,真的不是一般的成果能比的。这个项目花了几十亿。国家得到的,不仅仅是一核电站,而且会是一个有全球竞争力的产业。

  我们国家的产业走到今天,已经必须依靠科技创新在竞争力上走到世界的前列。我们下面要做的事,就是联合工业界的伙伴,打造中国高端核电站的产业链。它会是世界领先的4代核电技术,也会是利用互联网+的技术,实现工业4.0。现在总理正跟国外推一个高铁,一个核电。但是传统的核电,世界上好多国家都可以来竞争,所以中国人要卖就得卖得比人家便宜。而高温气冷堆技术,我们的技术是领先的,拥有独立自主知识产权。有一个瑞士电力公司的老板就跟我说,他特别害怕我把这个四代核电卖便宜了,他说好东西一定要卖好价钱。我觉得他是对的,这就是我们下一步要做的事。

  在座同学可能有物理系的,有机械系的,有学材料的,有搞控制的,其实在这里头都能找到你们的用武之地。我们最重要的一个设备就是反应堆的压力容器,700吨。当年南非想做这个,结果这个国家怎么集全国之力也搞不出来,他们想从日本买反应堆压力容器,日本人说那个大锻件订单太多了,生产不出来。所以南非的反应堆设计是另外一个形状,比较怪。反应堆的容器是一个核心技术,当年美国人会做,后来不做了,认为是夕阳工业,主要一流大学的人才都跑到华尔街去了。这些东西转到日本、韩国,现在也转到中国。08年金融危机之后奥巴马发觉不行了,要重新工业化,学会造压力容器。因为当他们的新一代人只会搞华尔街不会造之后,这个工业就不会是夕阳工业了。奥巴马倒要歪着脑袋想想,如果这个样子下去的话,他们将来坦克的炮塔从哪里来,航母从哪里来?

  这样高端的制造业现在很少国家能干得起。在我们国家上海的临港基地,就有这么一个国际先进水平的制造基地。高温气冷堆一个400吨的大锻件,用三个钢包同时浇注,然后用万吨水压机来砸,砸完后的金属非常致密,强度是很好的。400吨的锻件,就愣是那么砸,然后很费劲地抠出来,再进行热处理。这种能力全世界不会超过2-3家,我们中国人搞出来了。我们的目标,是不仅能造出这样的设备,贴上我们的招牌,而且卖出一个好价钱。

  我们还有另一个核心的技术,是核电站的心脏-主氦风机,也就是传统核电中的主泵。我们国家一直在心脏动力技术上有短板。这个心脏要求24小时运转。高温气冷堆的心脏不是核安全相关的产品,它如果停转了,也不会有核安全方面的后果,这是我们前面所说固有安全的结果。但是,心脏停转,核电站就无法继续发电,挣不了钱。这种大型高速转动机械的核心技术是轴承。传统的机械轴承是非常精密的机械,是手工试出来的,我们国家还有差距。我们走了另一条路,利用最近30年在人类在信息技术上的革命去改进传统精密机械工业,也就是采用计算机控制的电磁轴承。就像采用磁悬浮技术的高速铁路一样,大约10吨重的转子是用磁力托起来。这个技术我们清华人利用跨学科交叉把它做起来了。来自力学系、机械系、工物系等好多专业的十多个优秀毕业生组成的团队,愣是把这个10吨重的转子用磁悬浮把它给立起来,在上海已经完成了整机100小时和500小时的连续运行考验。这样大力度的交叉,我们得益于清华大学整体的科研实力,是清华核研院相比于很多世界上的研究院所具有的体制性优势。

  4 感悟与总结

  在大学里能参加这样的事业的人也不是太多,作为清华的老师,我很愿意通过这个讲座跟同学们分享一些感悟,也许对大家的成长有些启发。这是2004年美国一个很有名的杂志写的关于清华核研院故事的文章。那里头说,“在那个遥远的地方,科学家们正在以他们相对微薄的力量开发一种更好的反应堆”。

  早在上世纪50年代末,清华大学和教育部的领导就作出了一个很重要的决策,在北京昌平建设了清华200号基地,集合了各院系几百名优秀的学生,平均年龄是23岁半,建设一座试验核反应堆。他们的领头人也是一个年轻人,30多岁的吕应中教授,核能研究所的第一个所长,开创了清华200号的事业。核反应堆1964年建成,这是中国当时教育界的一件大事。文化大革命中,清华200号基地完成了中国提炼原子弹材料的关键技术,为两弹做出了贡献。在上世纪8-90年代,王大中院士带领核研院建成了5MW低温核供热反应堆,在我国首次实现了一体化压水反应堆技术。他同时争取了国家“863”计划的支持,开始启动建设10MW高温气冷实验堆项目。后来王大中老师在清华当了10年校长,对清华做出很大贡献。1994年到2001年,在吴宗鑫老师担任核研院院长期间建成了10MW高温气冷实验堆。

  我2001年开始担任院长,当时还不到40岁。从那个时候到现在,一步一步,呕心沥血。回顾这个过程,我感觉到传承的力量。这个工作是两代几百上千号人一生的努力。

  我们真的是有点不知不觉的就来到世界巅峰。清华即将率先实现三哩岛事故以来世界许多核能研究机构和科学家梦寐以求的、屡遭挫折的重大创新。我们很多核心关键的技术已经突破。能够走到今天,我们是很幸运的。

  首先我们是得益于中国的发展。20年前我们做这些事的时候还没想到现在这种结果。我们国家在自主创新上已经能够提供甚至美国人都羡慕的国家支持条件。另外一个得益于我们的高端制造业。10年前上海电气正在规划新的基地和厂房,当时新建厂房的尺度,就是按照能够生产高温气冷堆主要设备的能力来设计的,这对于一般的国家根本不可想象。同学们,将来你们的发展肯定跟中国的发展很有关系,中国的发展将会为大家提供很多世界上别人所没有的机会。

  其次是清华有一个200号。有这样一个大的载体,又能够从清华各系挑一些很优秀的博士。这些年轻的博士穿上工作服跟工人一块动手,就能够搞出高水平的核电设备。清华的学生不能光在数学模型上很厉害。真正的厉害的不是数学模型,数学模型你会做,人家也会做,所以我们的清华的学生应当能自己动手。

  第三就是瞄准世界前沿埋头苦干。我们不能整天跟在人家后头,要抓住世界最前沿的东西。这件东西很难,怎么办呢?要知难而进,只有难的东西才能发挥你的才智,才能干一番英雄的事业。最后还有一个要众志成城。你们将来可能很多人要当领军人物,要给大家要挑一个好的方向,还要有一个好的战略,但最后还要靠大家来干,不是你自己能干成的。这个时候就需要你的人格力量,而不光是你的聪明。不能算计自己的利益,否则别人很难跟随你。你要把大家团结起来,来共同奋斗。所以要众志成城。

  跟同学分享这三个体会:一是中国的发展,给同学们提供了一个比我们当年更好的机会;二是要有一个好的平台;三就是要有眼光,而且要有能力,去引领一批人来做这件事。

  好,我今天就讲到这里,谢谢大家。

  精彩语录

  1.人类文明需要能源,但是有能源就必定要直面并努力去降低污染。

  2.核安全问题是人类面临的一个重大问题。如果原子能能把安全问题解决了,那么PM2.5问题也就比较容易解决了。所以核安全的难题是世纪性的难题。

  3,我们求解的结果,就是大约在每个反应堆热功率是25万千瓦,转换成发电功率是10万千瓦的时候,能够实现这个目标。全世界目前唯一能够按照这个机理实现的反应堆,并且做到跟商业化推广同等大小的反应堆,我们是头一个。这就是实现我们梦想的核心理念。

  4.当我们扎根于中国这块大地,踏踏实实地去帮助解决13亿人过上小康生活所面临的问题和挑战,保持中国第一的水平。当这个国家成功时,我们就肯定是世界一流了。那个时候哈佛MIT都要来学习我们。

  5. 好东西一定要卖好价钱

  6.在座同学可能有物理系的,有机械系的,有学材料的,有搞控制的,其实在这里头都能找到你们的用武之地。

  7.我们真的是有点不知不觉的就来到世界巅峰。清华即将率先实现三哩岛事故以来世界许多核能研究机构和科学家梦寐以求的、屡遭挫折的重大创新。

  8.这件东西很难,怎么办呢?要知难而进,只有难的东西才能发挥你的才智,才能干一番英雄的事业。

  9.真正的厉害的不是数学模型,数学模型你会做,人家也会做,所以我们的清华的学生应当能自己动手。

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