来源:纵横杂志 游战洪
游战洪 纵横杂志
2024年10月24日 08:55 北 王大中在先进核能技术研发领域耕耘数十年,矢志“建堆报国、建堆育人”,领导清华大学核研院以提高核能的安全性为主要学术理念,持之以恒、不断创新,走出了中国第四代先进核能技术从跟跑、并跑到领跑世界的成功之路,助力中国由核大国向核强国的转变,为国家科技创新、经济社会发展和国防建设作出了重大贡献。本文讲述的是王大中知难而进、自主创新、建堆报国的传奇故事
王大中(1935 - )
清华大学第一届原子能专业毕业生
王大中 1935 年出生于河北省昌黎县,自幼求学于天津。1949 年 3 月天津刚解放后不久,他作为初中二年级的插班生考入南开中学。南开中学是一所历史悠久的著名学府,王大中在此受到了强烈的爱国传统和科学风气的熏陶。耳濡目染之余,他不仅得到了系统严格的科学培养,也明确了自己的人生方向,那就是立志投身于祖国的科技事业当中。
王大中在南开中学最感兴趣的是物理课,范孙楼中的物理实验室以及物理老师的谆谆教导和启发,培养了他对物理学的浓厚兴趣。当时学校路旁的地摊上经常有人卖些破旧的电器零件,王大中就买回家自己试着做些小电器。几十年后回忆往事,他仍对这些经历记忆犹新,并表示,正是在中学受到物理老师的启蒙教育,才使他后来考上清华大学工程物理系,并从事核科学技术研究工作。他说 :“在南开中学,我不仅学到了文化知识,更重要的是通过学校和老师的教导,使得刻苦顽强、一丝不苟的作风在我的头脑中牢牢扎下了根,这是我在大学学习和以后科研工作中的重要原动力。”
1953 年夏,王大中从南开中学毕业,考入清华大学机械系。1955 年 1 月 15 日,毛泽东主席主持召开中共中央书记处扩大会议,作出了建立与发展我国原子能事业的战略决策。为满足国家原子能事业对专业技术人才的需求,1955 年,清华大学成立了工程物理系(以下简称“工物系”),这是我国为培养原子能科学技术人才而成立的第一个核工程系。学校从各系二年级的学生中选出 46位优秀学生到工物系学习,组成这个系的第一个班——物八班(工物系 1958 年毕业班,简称“物八班”)。那年暑假,在机械系学习的王大中刚读完二年级,也作为这些优秀学生的一员被调入物八班,成为工物系第一批学生。工物系主要培养核科学与核工程领域的人才,课程按照“理工结合”设置,除工科基础课外,还增补了许多理科课程,如量子力学、电动力学、统计物理、核物理等,学校请来彭桓武、朱光亚、赵忠尧等一批著名的科学家给学生们上课。工物系的严格教育,给王大中以系统的培养和训练,为他以后的学术研究打下了坚实的基础。
到工物系高年级分专业时,王大中并没有像班上不少学习好的同学那样选择核物理专业,而是选择了核反应堆专业。他认为,一方面,自己偏重于形象思维,适合搞核反应堆工程 ;另一方面,这一选择还源自少年时代一件事对他的影响,那就是他看了介绍苏联第一个原子能发电站奥布灵斯克核电站的纪录片。他说 :“尽管那座核电站功率只有 5000 千瓦,但原子核裂变所释放出来的巨大能量,以及在那厚厚的混凝土墙和自动开启的大铸铁门后的原子反应堆,却给我留下了深刻的印象。当时只是对反应堆具有浓厚的兴趣,如今却可以把搞反应堆变成现实了,所以我毫不犹豫地选择了反应堆工程专业。”
就这样,王大中成为我国第一批原子能专业毕业生,此后把反应堆工程作为自己的主攻方向,在以后的科研生涯中孜孜以求、坚忍不拔,不断攀登一座又一座核能科学高峰。
参加清华大学屏蔽试验反应堆建设
1958 年,清华大学工物系副主任兼反应堆教研组组长吕应中,带领一支由清华大学工物系年轻教师和高年级学生骨干组成的科研队伍,开始建设清华大学屏蔽试验反应堆。当时正值三年困难时期,且政治运动不断、没有中外专家指导、经验缺乏、器材匮乏,就是在这样的条件下,这支平均年龄只有 23 岁半的队伍排除了各种干扰和困难,投入屏蔽试验反应堆的建设之中。
屏蔽试验反应堆是一座功率为 2000 千瓦的游泳池式堆,主要功能是通过屏蔽试验,研究如何屏挡高强度放射性的问题,为设计新的原子反应堆(特别是动力堆)和防放射性的国防与工业建筑提供屏蔽设计的数据。此外,当时还附设一座零功率实验反应堆,供新设计的原子反应堆做物理模型实验,利用配套的实验室可进行反应堆物理学、反应堆热工水力学、反应堆材料和核物理、核化学及放射性水气处理等研究。在进行反应堆建设的过程中,还接纳校内外相关专业的教师和学生从事生产实习、毕业设计与科学研究等。
1964 年 9 月 20 日,零功率反应堆首次启动,一次成功运行。9 月 27 日,屏蔽试验反应堆手动启动一次成功,10 月 1 日自动启动又一次成功。屏蔽试验反应堆在反应堆多用途设计、自动化程度和安全性能等方面超过了外国原参考设计水平。这是中国科学家和工程师自主设计、建造、安装和成功运行的原子反应堆,开创了清华大学有史以来在如此困难条件下承担如此大规模科学工程的奇迹,为新中国核能事业的发展培养了一批能“真刀真枪”地设计、建造、运行、操作核反应堆的专业技术人才。由于屏蔽堆工程代号为“200 号”,所以后来一直以“200 号”来代称清华大学核研院。
据统计,在反应堆建设过程中,清华大学有 600 多名毕业生参加工程建设,“真刀真枪”地完成毕业设计 ;校内有 2000 多名师生参加建堆工程实践 ;校内外有 900 余名师生在反应堆上进行了生产实习。建堆期间,清华大学建成了 21 个实验室,开出 51 门课程,总共突破了 37 项关键技术,锻炼出一支能打硬仗的 200 余人的科研队伍。
1958 年 7 月,王大中从清华大学工物系毕业,被分配留校工作,参加屏蔽试验反应堆的设计与建设。作为年轻的科研骨干,在建设屏蔽试验反应堆的过程中,他按照蒋南翔校长强调的“建堆建人,在实战中成长”“敢想敢干敢转行”的要求,从做模型、跑材料、土建安装到调试运行,参与了建堆的全过程,锻炼和提高了解决工程实际问题的能力。从反应堆物理设计,到反应堆零功率物理实验,再到反应堆热工水力学设计与实验,他边干边学,每次都创造性地完成了任务。1962 年,经组织安排,他又去攻读在职研究生,师从中国工程热物理学科的开拓者与传热学带头人王补宣教授。
30 年后,王大中在一篇回忆文章中写道 :“参加第一座屏蔽反应堆建堆那六年的奋斗历程,使我终身受益匪浅。……在这长期的实践过程中,使我对反应堆的认识由浅入深,从理论到实践有了全面的了解。同时,通过建堆实践使我体会到,只有将‘开拓创新’与‘科学求实’很好地结合起来,才能事业有成。六年建堆的奋斗史告诉我们,科学攻关的过程绝不是一帆风顺的,而是充满着困难、挫折和风险,只有知难而进、执着追求,才能到达成功的彼岸。当年平均年龄只有 23 岁半的一批年轻人之所以能建成反应堆,靠的是群体的力量和集体的智慧。它使我认识到,现代大型高科技项目往往是多学科的集合,是科学与技术、工程与管理的综合体。只有参加这种项目的每一个人都充分发挥出自己的聪明才智,同时又把所有人的聪明才智充分地集中起来形成群体的优势,才能在高科技领域作出对国家、对人民有益的贡献。”
全程参加清华大学屏蔽试验反应堆的设计与建设,大大锻炼和提高了王大中解决实际问题的能力,为他日后的核能研究积累了宝贵的实践经验。
“820 工程”的探索与教训
屏蔽试验反应堆建成后,吕应中开始带领“200 号”的科研骨干信心百倍地研究和设计新型反应堆。但是好景不长,随着“文化大革命”席卷全国,清华大学首当其冲,蒋南翔校长被打倒,吕应中也成了“大黑帮”。工宣队进校后,吕应中被转到北京卫戍区关押,王大中与其他技术骨干也受到冲击,“200 号”的科研工作被迫中断。
1968 年,吕应中在北京卫戍区的监狱里开始动手设计一种先进反应堆——“增殖堆”。这种反应堆可采用中国储量丰富的核燃料——钍,生产出的核燃料比消耗掉的核燃料还多。1969 年,吕应中通过当时的工宣队向中央提交了《关于研究“钍增殖堆”的建议》。吕应中的建议引起了中央的重视,周恩来总理先后作了两次批示。中央采用吕应中的建议,决定在清华大学核研院建设钍增殖堆,代号“03—820 工程”(以下简称“820 工程”)。
1960 年 3 月 5 日,清华大学“200 号”原子能研究基地在北京昌平虎峪村开工时年轻建设者们的合影,倒数第三排左一为王大中(来源:清华大学核研院历史资料照片)
“820 工程”于 1969 年底启动,核研院集中了大量人力和物力投入到科研与设计中来。1970 年底,学校从江西鲤鱼洲农场调回正下放劳动的部分教职工参加“820 工程”建设,王大中也于 1971 年中被调回来参与其中。
1964 年刚建成的屏蔽试验反应堆外景(来源:清华大学核研院历史资料照片)
该工程拟建造一座钍增殖堆核电站,设计热功率为10 万千瓦,电功率为 2.5 万千瓦。但由于技术难度太大,短期内难以完成,“820 工程”在国民经济调整中不得不下马。经国家计委、建委同意,工程于 1979 年停建。
“820 工程”虽然总体上未能成功,但对钍资源利用的多种方案(熔融金属堆、熔盐堆、高温气冷堆等)进行了多方面的探索,取得了放射性尘埃扩散大气实验、预应力混凝土压力壳研制成功等多项重大成果。其中包含的高温气冷堆关键技术,在工程停建后被集中力量进行研究,为王大中及其团队后来研制成功 10兆瓦高温气冷实验堆奠定了技术基础。另外,“820 工程”的挫折与教训也从反面教育了王大中和其他科研骨干。王大中事后分析,首先,该工程的问题是对钍增殖堆的难度估计不足,当时确定的工程目标过高、限期工程过短,致使项目难以完成。其次,从技术方案角度而言,技术难度大,突破关键技术需要较长时间,而上级又要限期完成,导致工程总体方案一变再变。再次,为抢进度,在关键技术尚未突破时就急于上工程,结果造成巨大的经济损失。
研制钍增殖堆的过程对王大中后来的科学思维与创新方法产生了深刻的影响,该工程使他深刻地认识到,科技攻关既要解放思想、敢想敢干,更要实事求是、按科学规律办事。
出国学习先进的核能技术
1981 年 1 月到 1982 年 10 月,王大中作为访问学者,来到世界著名的核能研究基地——联邦德国于利希核研究中心(Forschungszentrum Jülich)学习,师从联邦德国著名的核能专家、于利希核研究中心反应堆发展研究所所长、亚琛工业大学教授苏尔登博士(Rudolf Sculten,1923—1996)学习高温气冷堆计算机程序。
1979 年,德国科学家提出了具有良好的固有安全特性和更高经济性的新一代模块式高温气冷堆概念。模块式高温气冷堆的技术特点是小型化,通过降低单堆的功率和功率密度,使反应堆在任何事故情况下都可以将堆芯剩余发热通过导热和辐射载带出去,具有固有安全特性。所谓模块式,就是把反应堆设计成一个中小型的标准堆(如热功率为 20 万千瓦),以便在工厂中高质量地批量加工制造,当需要建设一个大的核电站时,可以把多个反应堆并联起来,使反应堆更加安全经济。球床堆芯,就是用球形燃料元件组成反应堆堆芯,可以随时连续地装卸核燃料,无须定期停堆拆卸更换燃料元件,提高了核电站的可利用率,并提高了反应堆的功率输出和安全性。
王大中到德国于利希核研究中心学习时,正值美国三哩岛核电站事故刚刚发生后不久,人们对于核辐射的恐惧还余韵未消,所以研究与发展一种具有内在安全性的新型反应堆是核能研究领域的新方向。苏尔登教授当时开出四个选题让王大中选择,他果断地选择了 “模块式中小型高温气冷堆的设计和研究”作为自己的研究课题。王大中在接受访谈时说 :“1979 年美国三哩岛事故虽然没有造成大面积的环境污染,但是反应堆堆芯熔毁了,三哩岛核事故对世界核电事业仍是个很大的打击。国际原子能机构当时有一个说法是 :Accident in anywhere is accident ineverywhere !就是说,不管核事故发生在哪里,都会影响到全世界。”王大中之所以选择模块式高温气冷堆,就是因为这种堆型具有固有安全性,堆芯几乎不会熔化。
清华大学屏蔽试验反应堆堆芯(1984 年,王建一 摄)
虽然中小型高温气冷堆的优势明显,但这是一个难度很大的课题。德国科学家虽然提出了模块式高温气冷堆的概念,但他们当时能做到的单堆热功率最高只能达到 25 万千瓦。如何做到既保持模块堆的优异安全特性、经济性,又能提高单堆功率,成为改进模块式高温气冷堆的关键。
王大中毅然向这个矛盾难点发起了冲击。尽管面临着资料缺乏、经验不足的困难,但他想起刚毕业参加屏蔽试验堆建设时一个深入人心的指导思想——“知难而进”,认为搞科学研究就是要知难而进,抓住本领域的前沿课题进行深入研究,才能有所突破、有所创新。他开始做第一个方案,计算、设计、分析、比较,没有成功,推倒重来,再做第二个方案,接着是第三个、第四个……“知难而进”这四个字一直萦绕在他的脑海中。他认真地分析,抓住主要矛盾,促使矛盾转化,足足做了一百多个方案,终于取得了成功。他根据以前在国内跟同事一起研究钍高温气冷增殖堆双区球床堆芯方案时积累的经验,提出了双区球床堆的新概念——环形堆芯模块式高温气冷堆,堆芯最热的内环用石墨球代替燃料球,外环全部布置燃料球,将模块式高温气冷堆的设计功率从 25 万千瓦一下子提高到了 50 万—60 万千瓦!
这是一个很大的突破,苏尔登教授对王大中的研究成果给予了高度评价,连连称赞“了不起”。他兴奋地说 :“过去认为单堆功率提高 10% 就很不容易了,现在你的设计一下子提高了一倍多,这是很了不起的,应该申请发明专利。”
为了使这种新堆型概念用于实际以便在国内推广应用,王大中接着做了进一步的方案设计。反应堆设计是一门综合性的科学技术,包括中子物理计算、热工水力学设计与计算、堆芯结构设计及主要设备的选型等。进行这样的设计,需要物理、热工、结构、设备等多方面的专家共同合作完成。经过 5 个月夜以继日地工作,王大中独自完成了设计,设计过程中计算机打印结果的纸张叠起来有 3米多高。他据此写成的博士论文也获得全优,联邦德国的报纸报道说 :“中国人实现了一个奇迹!”
1979年,苏尔登博士来中国时与全体学员合影(来源:清华大学核研院历史资料照片)
1992年,清华大学校长张孝文(左)向苏尔登博士(中)颁发客座教授聘书,右为王大中(王建一 摄)
就这样,王大中用一年零九个月的时间获得了德国亚琛工业大学的博士学位,并且为研究成果《一种在严重事故下具有安全自稳定性的球床核反应堆》申请了发明专利。这项专利很快获得联邦德国专利局批准,并且分别在美、英、法、日、意、苏联等国的专利局进行了登记。
“知难而进”是王大中的座右铭,也是一切为人类作出贡献的科学家们的成功之路。科研如登山,而在这条路上不畏艰险、知难而进的态度是科学家的一种基本素质,也是一种哲学思维。这是克服困难的动力,也是取得成功的保证。
本文选自《纵横》杂志2022年第12期“奋进新时代·亲历者说”栏目,图片由作者提供,作者游战洪系清华大学图书馆副研究馆员。
信息提供:张志国(《纵横》杂志)
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