2020年10月21日，是注定被載入中國(guó)核能事業(yè)發(fā)展史冊(cè)的日子。這一天，我國(guó)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(guó)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(guó)核電走出去的旗艦，也是我國(guó)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(jiǎn)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(cè)了該機(jī)組首次啟動(dòng)的臨界硼濃度，充分展示了我國(guó)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(guó)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(lái)控制堆芯的反應(yīng)性，硼濃度直接影響堆芯性能：硼濃度過(guò)高，反應(yīng)堆無(wú)法達(dá)到臨界，無(wú)法正常工作；硼濃度過(guò)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(guò)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(guò)程。因此，如何精確預(yù)測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)值之間的誤差僅為1ppm（1ppm等于百萬(wàn)分之一）和9ppm，預(yù)測(cè)精度顯著高于國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)三代核電的技術(shù)水平與美國(guó)、法國(guó)等國(guó)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(guó)之驕傲，非常振奮人心。”

   如今，作為中國(guó)核電走出去的旗艦，“華龍一號(hào)”已成功向巴基斯坦等國(guó)家出口，并與全球多個(gè)國(guó)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(guó)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(yíng)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(zhǎng)期受到國(guó)外技術(shù)壟斷，成為我國(guó)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(guó)早期投入不足，開(kāi)發(fā)過(guò)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(guó)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(méi)有國(guó)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(guó)外更先進(jìn)。”吳宏春表示，“強(qiáng)國(guó)不能沒(méi)有核電，科技報(bào)國(guó)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(wàn)承輝副教授都無(wú)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(wú)數(shù)個(gè)沒(méi)日沒(méi)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(kāi)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(wàn)承輝苦笑道。

   縱然科研攻關(guān)的過(guò)程十分辛苦，但萬(wàn)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(lè)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(guó)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(wèn)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(kāi)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(guó)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(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者曹良志教授欣喜地說(shuō)。

   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(guó)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(cè)結(jié)果也印證了其“高保真”的特性。

科技報(bào)國(guó) 把論文寫在祖國(guó)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(lái)，NECP團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了包括973、863、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)防預(yù)研等國(guó)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(guó)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(jī)，離不開(kāi)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(guó)家責(zé)任牢記心頭，立志科技報(bào)國(guó)，長(zhǎng)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(guó)核能發(fā)展貢獻(xiàn)了重要力量。

   談及團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，吳宏春自豪地說(shuō)：“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(wú)論形勢(shì)如何變化，團(tuán)隊(duì)都始終面向國(guó)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(lái)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(lái)說(shuō)，就是要把多年來(lái)在實(shí)驗(yàn)室研究出來(lái)的基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為能為國(guó)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(guó)和法國(guó)的軟件，不過(guò)中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件了，如果國(guó)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(shuō)。

   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(guó)的核電站甚至外國(guó)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(guó)的核電技術(shù)也很棒。”吳宏春自信地表示，“未來(lái)，我們將依托中國(guó)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(guó)家實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。” ■