2020年10月21日，是注定被載入中國核能事業(yè)發(fā)展史冊的日子。這一天，我國自主研發(fā)的三代核電“華龍一號(hào)”全球首堆福清核電廠5號(hào)機(jī)組首次達(dá)到臨界，向建成投產(chǎn)邁出了重要一步。

   “華龍一號(hào)”是我國具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，它是中國核電走出去的旗艦，也是我國科技走向世界的一張新“名片”。

   在此次“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)核工程計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)（以下簡稱NECP團(tuán)隊(duì)）自主研發(fā)的核電工業(yè)軟件高精度地預(yù)測了該機(jī)組首次啟動(dòng)的臨界硼濃度，充分展示了我國核電“軟實(shí)力”，成功為核電機(jī)組的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

十年鑄劍 自主軟件初露鋒芒

   “華龍一號(hào)”是我國具備完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代先進(jìn)壓水堆核電型號(hào)。壓水堆通常采用硼酸溶液來控制堆芯的反應(yīng)性，硼濃度直接影響堆芯性能：硼濃度過高，反應(yīng)堆無法達(dá)到臨界，無法正常工作；硼濃度過低，則可能引發(fā)嚴(yán)重的堆芯超臨界事故。

   “核反應(yīng)實(shí)際上是中子與原子核相互作用、通過原子核的質(zhì)量虧損釋放巨大能量，我們可以將核反應(yīng)堆啟動(dòng)類比為汽車點(diǎn)火發(fā)動(dòng)，從點(diǎn)火到穩(wěn)定運(yùn)行是最關(guān)鍵的過程。因此，如何精確預(yù)測堆芯臨界狀態(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。”NECP團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、863項(xiàng)目首席科學(xué)家吳宏春向《科學(xué)新聞》表示。

   正所謂買船容易造船難。也正是為了實(shí)現(xiàn)真正的自主創(chuàng)新，NECP團(tuán)隊(duì)十余年來克服種種困難，潛心攻關(guān)核電關(guān)鍵技術(shù)，終于成功研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)壓水堆燃料管理軟件“Bamboo-C”和數(shù)值反應(yīng)堆確定論高保真計(jì)算軟件“NECP-X”。

   此次福清核電廠業(yè)主公司和NECP團(tuán)隊(duì)采用這兩套軟件，背靠背地分別建立了精細(xì)的“華龍一號(hào)”計(jì)算模型，精確預(yù)測了“華龍一號(hào)”首次臨界的關(guān)鍵安全物理量——臨界硼濃度。

   吳宏春告訴記者，這次應(yīng)用團(tuán)隊(duì)研發(fā)的軟件計(jì)算出的臨界硼濃度值與實(shí)測值之間的誤差僅為1ppm（1ppm等于百萬分之一）和9ppm，預(yù)測精度顯著高于國際同類計(jì)算軟件，充分展示了NECP團(tuán)隊(duì)研發(fā)軟件在商用核電廠中實(shí)際應(yīng)用的效果。

   作為我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的三代核電技術(shù)，“華龍一號(hào)”是目前國際上實(shí)現(xiàn)商用發(fā)電的最先進(jìn)的堆型之一。吳宏春坦言，我國三代核電的技術(shù)水平與美國、法國等國家已基本相當(dāng)，采用的研發(fā)思路更先進(jìn)，在堆芯設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面都有創(chuàng)新，且具有很高的安全系數(shù)。“此次‘華龍一號(hào)’全球首堆順利達(dá)到臨界狀態(tài)是國之驕傲，非常振奮人心。”

   如今，作為中國核電走出去的旗艦，“華龍一號(hào)”已成功向巴基斯坦等國家出口，并與全球多個(gè)國家和地區(qū)建立了科技經(jīng)貿(mào)關(guān)系。

迎難而上 掌握核心技術(shù)

   在我國核電不斷發(fā)展的歷史進(jìn)程中，從設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)營均存在諸多技術(shù)難題。其中，壓水堆核設(shè)計(jì)軟件更是長期受到國外技術(shù)壟斷，成為我國核電技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵“卡脖子”難題。

   由于核電設(shè)計(jì)軟件研發(fā)理論難度大、專業(yè)性強(qiáng)，我國早期投入不足，開發(fā)過程面臨重重困難。而且，第三代核電技術(shù)本身就十分先進(jìn)，加之我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的“華龍一號(hào)”又有非常多創(chuàng)新之處，因此沒有國外現(xiàn)成的技術(shù)可供參考。

   但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，完全靠自己在摸索中前進(jìn)。

   “我們不僅要突破‘卡脖子’技術(shù)，還要做得比國外更先進(jìn)。”吳宏春表示，“強(qiáng)國不能沒有核電，科技報(bào)國是我們的心愿，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。”

   羅馬不是一天建成的，任何突破與成果的取得都不是一蹴而就的，核電科研攻關(guān)更是如此。至今，NECP團(tuán)隊(duì)成員萬承輝副教授都無法忘記那段攻堅(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，無數(shù)個(gè)沒日沒夜科研攻關(guān)的日子早已成為家常便飯，強(qiáng)大的科研壓力更是讓他大把大把地掉頭發(fā)。記不清從什么時(shí)候開始，養(yǎng)成了沾枕頭就能睡著的“好習(xí)慣”。“印象里最深刻的一次是乘飛機(jī)去外地調(diào)研交流，想趁著起飛前閉眼休息一下，結(jié)果再睜眼時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)到達(dá)目的地了。”萬承輝苦笑道。

   縱然科研攻關(guān)的過程十分辛苦，但萬承輝感到非常充實(shí)飽滿。“每天都可以一點(diǎn)點(diǎn)靠近心里的目標(biāo)，這樣的工作激情給了團(tuán)隊(duì)很大的支撐。”

   歷經(jīng)十余年“痛并快樂著”的苦心研究，NECP團(tuán)隊(duì)攻克了一道又一道難關(guān)，終于取得了重大突破。

   “兩步法”是國際上核電反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的通用方法，但傳統(tǒng)“兩步法”存在精度和效率不足的問題。針對(duì)這些技術(shù)難題，NECP團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了先進(jìn)的“兩步法”——具有更高的計(jì)算精確度和模型精細(xì)度，并開發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)壓水堆燃料管理軟件“Bamboo-C”。

   與此同時(shí)，NECP團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出新一代的“一步法”。“‘一步法’目前在國際上尚處于研究的初步階段，而我們基于更先進(jìn)的理論方法，研發(fā)出的先進(jìn)‘一步法’，采用了很多特殊技巧提高計(jì)算效率和精度，突破了目前計(jì)算資源的限制。”團(tuán)隊(duì)成員、國家優(yōu)秀青年基金獲得者曹良志教授欣喜地說。

   值得一提的是，此次團(tuán)隊(duì)采用NECP-X軟件計(jì)算“華龍一號(hào)”臨界硼濃度，是國際上首次將“一步法”高保真確定論計(jì)算軟件用于商用核電廠數(shù)值模擬，而準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果也印證了其“高保真”的特性。

科技報(bào)國 把論文寫在祖國大地上

   在核電技術(shù)領(lǐng)域里，NECP團(tuán)隊(duì)并不讓人陌生。

   近年來，NECP團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了包括973、863、國家自然科學(xué)基金、國防預(yù)研等國家級(jí)科研項(xiàng)目50余項(xiàng)，共發(fā)表SCI論文200余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利50余項(xiàng)、軟件著作權(quán)30余項(xiàng)，獲國家和省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。

   這支團(tuán)隊(duì)之所以能夠?qū)覄?chuàng)佳績，離不開背后為其提供源源不斷創(chuàng)新支撐的西安交通大學(xué)核工程計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室。

   核工程計(jì)算物理實(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)室始終將國家責(zé)任牢記心頭，立志科技報(bào)國，長期致力于核反應(yīng)堆物理創(chuàng)新研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為我國核能發(fā)展貢獻(xiàn)了重要力量。

   談及團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢，吳宏春自豪地說：“我們團(tuán)隊(duì)有四種精神——創(chuàng)新、進(jìn)取、協(xié)作、堅(jiān)持。核能研究實(shí)屬不易，但無論形勢如何變化，團(tuán)隊(duì)都始終面向國家重大科技需求，這是我們的科研興趣所在，一定會(huì)堅(jiān)持下去。”

   如今核能發(fā)展十分迅速，NECP團(tuán)隊(duì)對(duì)于未來也有自己的發(fā)展規(guī)劃。曹良志表示，團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)研發(fā)了從前端的核數(shù)據(jù)加工到后端的堆芯設(shè)計(jì)與安全分析等全套分析軟件。“我們大概在10年前做出了一個(gè)重要決策，就是從早期的基礎(chǔ)理論和方法研究轉(zhuǎn)向具有工程實(shí)用價(jià)值的軟件研發(fā)。對(duì)于我們來說，就是要把多年來在實(shí)驗(yàn)室研究出來的基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為能為國家核能發(fā)展所用的設(shè)計(jì)分析軟件。”

   除了上面提到的Bamboo-C和NECP-X軟件以外，NECP團(tuán)隊(duì)還自主研發(fā)了適用于快堆物理設(shè)計(jì)的NECP-SARAX軟件、適用于屏蔽設(shè)計(jì)的NECP-MCX軟件和核數(shù)據(jù)處理軟件NECP-Atlas等。

   “當(dāng)前的核電設(shè)計(jì)基本都使用美國和法國的軟件，不過中國現(xiàn)在已經(jīng)有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件了，如果國外軟件被限制使用，我們的軟件也完全能勝任所有的設(shè)計(jì)計(jì)算工作，甚至可以做得更好。”曹良志說。

   下一步，NECP團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將所有軟件全部推向更廣泛的工程應(yīng)用。“我們想做的事就是讓中國的核電站甚至外國的核電站都用我們的軟件，希望我們的軟件能有更多用戶,讓大家看到中國的核電技術(shù)也很棒。”吳宏春自信地表示，“未來，我們將依托中國西部科技創(chuàng)新港，繼續(xù)從基礎(chǔ)科學(xué)研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)品化，我們要讓自己的科研產(chǎn)生實(shí)際意義，讓‘西遷精神’變成對(duì)國家實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。” ■