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    走近Xi交通大学核工程计算物理实验室NECP团队

    发布日期:2021-02-04 08:12 物理论文

    2021年1月30日,世界首台“华龙一号”核电机组————福建福清核电5号机组投入商业运行,标志着中国在第三代核电技术领域跻身世界前列,成为世界上少数真正掌握独立第三代核电技术的国家之一。华龙一号第一批核心设备全部国产化,设备国产化率达到88%,完全具备批量施工能力。

    2020年10月21日,中国自主研发的世界首个核电站“华龙一号”福清核电站5号机组首次达到临界点,向建成投产迈出重要一步。华龙一号是我国拥有完全自主知识产权的第三代核电技术。它是中国核电走出去的旗舰,是中国科技走向世界的新“名片”。

    Xi交通大学核工程计算物理实验室NECP团队(“NECP团队”)自主开发的核电行业软件,在世界首个核反应堆华龙一号首次启动试验中,成功高精度预测了机组首次启动的临界硼浓度,充分展示了我国核电的“软实力”,为核电机组的安全运行保驾护航。

    华龙一号是我国拥有完全自主知识产权的三代先进压水堆核电模型。压水堆堆芯反应性控制通常采用硼酸溶液,硼浓度直接影响堆芯性能。硼浓度过高,反应器达不到临界正常运行;如果硼浓度过低,可能会导致堆芯发生严重的超临界事故。

    “核反应实际上是中子与原子核的相互作用,通过原子核的质量缺陷释放出巨大的能量。我们可以把核反应堆的启动比作汽车点火的启动,关键的过程是从点火到稳定运行。如何准确预测堆芯临界状态下的硼浓度,对于核反应堆的安全启动至关重要。”“863”项目首席科学家、NECP团队负责人吴洪春教授说。

    俗话说,买船容易造船难。为了实现真正的自主创新,NECP团队十多年来克服了各种困难,集中力量攻关核电关键技术,最终取得突破性进展,成功开发了具有完全自主知识产权的先进压水堆燃料管理软件竹木-C和数值堆确定性高保真计算软件NECP-X.

    福清核电厂业主公司和NECP团队利用这两套软件背靠背构建了华龙一号的详细计算模型,准确预测了华龙一号第一个临界安全物理量——的临界硼浓度

    吴洪春说:“我们团队开发的软件计算出的临界硼浓度与实测值的误差仅为1ppm(1ppm等于百万分之一)和9ppm,预测精度明显高于国际同类计算软件。”充分展示了NECP团队开发的软件在商业核电厂的实际应用效果。

    “华龙一号”作为中国自主研发设计的第三代核电技术,是世界上最先进的商用发电反应堆之一。吴洪春坦言,“中国第三代核电的技术水平与美国、法国等国基本相当。采用的研发思路更先进,核心设计和系统设计有创新,安全系数高。华龙一号成功达到世界危急状态,是国家的骄傲。很刺激。”

    如今,“华龙一号”作为中国核电走出去的旗舰,已成功出口巴基斯坦等国家,并与世界多个国家和地区建立了科技经贸关系。

    在中国核电不断发展的历史进程中,从设计、建设到运行都存在许多技术问题

    然而,在如此艰巨的任务中,NECP团队成了“第一个吃螃蟹的人”。他们面对困难,靠自己取得进步。

    “我们不仅要突破‘卡脖子’技术,还要比国外先进。”吴洪春说:“强国离不开核电。通过科技向国家报告是我们的愿望。很难突破技术难关,也很难不让人卡在我们脖子上。”

    罗马不是一天建成的。任何突破和成就都不是一蹴而就的,尤其是核电研究。时至今日,团队成员万副教授仍念念不忘攻坚的艰辛。

    每天早上7点前去实验室,晚上11点后回家。无数个日日夜夜的科学研究早已司空见惯。强大的科研压力让万掉了不少头发。我不记得什么时候开始养成抱着枕头睡觉的“好习惯”。“印象最深的一次是飞到外地调研交流。起飞前我想闭着眼睛休息一下。再眨眨眼的时候,发现飞机还在地上,后来知道飞机已经到目的地了。”何苦笑道。

    尽管科研的过程很辛苦,万却觉得很充实、充实。“每一天,你都可以更接近自己内心的目标。这种工作热情给了团队很大的支持。”

    经过十多年对“痛苦与快乐”的潜心研究,NECP团队克服了一个又一个困难,最终取得了重大突破。

    两步法是世界上常见的核电反应堆设计方法,但传统的两步法存在精度和效率不足的问题。针对这些技术问题,NECP团队开发了一种具有较高计算精度和模型精细度的先进“两步法”,并开发了一种具有完全自主知识产权的先进压水堆燃料管理软件竹子-C。

    此外,NECP团队开发了新一代的“一步法”。“一步法”在国际上还处于研究的初级阶段,我们在更先进的理论方法基础上开发的先进的“一步法”采用了许多特殊技巧来提高计算效率和精度,突破了目前计算资源的限制。”国家杰出青年基金获得者曹良志教授高兴地说。

    值得一提的是,该团队使用NECP-X软件计算华龙一号的临界硼浓度,这是世界上首次使用“一步”高保真的确定性计算软件对商用核电站进行数值模拟,准确的预测结果恰好证实了其“高保真”的特点。

    近年来,NECP团队承担了国家“973”、“863”、重点研发项目、自然科学基金、国防预研等50多个国家科研项目。发表SCI论文200余篇,授予发明专利50余项,软件著作权30余项,获得国家、省部级科技奖励10余项。

    这个团队的成功,离不开Xi交通大学——核工程计算物理实验室的“强大后盾”。

    Xi交通大学核工程计算物理实验室成立于2004年,其前身是1958年成立的反应堆物理研究组。实验室始终牢记国家责任,立志科技报国,长期致力于核反应堆物理创新研究和关键技术研究,为我国核能发展做出了贡献。

    实验室目前有教授、副教授9人。近年来,实验室为中国核工业培养了100多名硕士和博士研究生。他们已成长为各大核电集团、研究所或国防单位的领军人才和技术骨干,具有核心创新能力的新型科研力量正在冉冉崛起。

    谈到团队的优势,吴洪春自豪地说:“我们的团队有四种精神:创新、进取、合作和坚持。核能研究并不容易,但无论形势如何变化,团队始终面对国家重大科技需求。这是我们的研究兴趣,我们一定会的

    如今,核能发展迅速,NECP团队对未来有自己的发展规划。曹良志表示,该团队已经开发了从前端核数据处理到后端核设计和安全分析的整套分析软件。“我们大约在10年前做了一个重要的决定,就是从早期的基础理论和方法研究转向具有工程实用价值的软件开发。正如Xi总书记所说,论文应该写在祖国的土地上。对我们来说,有必要把实验室多年开发的基础研究成果转化为可用于国家核能发展的设计分析软件。”

    除了上面提到的竹子-C软化和NECP-X软件,NECP团队还独立开发了适用于快堆物理设计的NECP-SARAX软件、适用于屏蔽设计的NECP-MCX软件和适用于核数据处理的NECP-阿特拉斯软件。“现在的核电设计基本上用的是美国和法国的软件。但是,中国现在有自主知识产权的软件。如果限制国外软件,我们的软件完全可以胜任所有的设计和计算工作,甚至可以做得更好。”曹良之说。

    下一步,NECP团队计划将所有软件推向更广泛的工程应用。“我们想做的是让中国的核电厂甚至外国的核电厂使用我们的软件。希望我们的软件能有更多的用户,让大家看到中国的核电技术也很棒。”吴洪春自信地说:“未来,我们将依靠西部创新港的科技,继续从基础科研向产品化转变。我们必须使我们的科学研究具有实际意义,并将西迁精神转化为对国家的真正贡献。”


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