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2020年度国家最高科学技术奖获得者——实现反应堆固有安全的带头人王大中:知难而进,科技报国

来源:清华大学 张静 孟宪飞 王革华 熊威 时间:2021-11-03

  【人物档案】

  王大中,1935年出生于河北省昌黎县,国际著名的核能科学家、教育家,中国科学院院士。1958年毕业于清华大学工程物理系,1982年获德国亚琛工业大学自然科学博士学位。历任清华大学核能所研究室主任、所长,核研院院长、总工程师,以及清华大学校长等职务。曾任国家863计划能源领域首届专家委员会首席科学家,国家中长期科技规划能源领域首席专家,国务院学位委员会委员,中国科学院技术科学学部主任,中国核学会副理事长,国家核安全专家委员会副主任。现任国家战略咨询与综合评审委员会委员,国家核安全专家委员会资深委员。    60余年来,王大中院士一直活跃在科研第一线,以提高核能的安全性为主要学术理念,领导清华大学核能研究团队走出了我国以固有安全为主要特征的先进核能技术的成功创新之路。他在先进核能技术的研发领域几十年耕耘,主持研究、设计、建造、运行成功世界上第一座5MW壳式一体化低温核供热堆;主持研发建成了目前世界第一座具有固有安全特征的模块式球床10MW高温气冷实验堆,并大力推动了以上两种先进反应堆技术的应用。

  王大中院士曾获国家科技进步一等奖两次(均为第一完成人)、何梁何利科学与技术进步奖、国家级教学成果特等奖、全国“五一劳动奖章”称号等多项荣誉,2020年获国家科学技术最高奖。

  自从1938年科学家发现了核裂变,人类就进入了开发利用核能的时代。核能作为能源安全及战略威慑力量的基础是当今世界高度敏感、高度垄断的战略领域,是大国实力的重要标志,也是优化能源结构实现可持续发展的重要保障之一。

  受三哩岛、切尔诺贝利等事故的影响,“核安全问题”一直是核能和平利用的主要障碍。如何破解这一世纪性难题?1956年,美国科学家泰勒指出:要使公众接受核能,反应堆安全必须是“固有的”。这种思想雏形提出已经60多年,但可实用化的技术仍未能被各国科学家和工程师们攻破。

  王大中不畏艰难,在攀登核能科技高峰的道路上持之以恒,带领团队一步一个脚印,在破解世界难题的道路上取得重要突破,走出了领先世界之路,实现了我国先进核能技术的跨越发展。

图1:核能科学家王大中院士

  结缘核能

  上学的时候,王大中就很喜欢物理。他经常在小摊买一些电器开关、电线,自己在家里组装收音机、电动机。从小就爱琢磨、爱动手的他,甚至曾因自行车过于破旧每个周都要修,自己练出一套修自行车的手艺。

  少年时代,王大中在天津南开中学受到系统严格的训练,明确了人生志向,选择了献身祖国科技事业的道路,考入清华大学机械工程系。进入大学后,一个偶然的机会,王大中看了介绍前苏联第一个原子能发电站——奥布灵斯克核电站的纪录片。尽管那座核电站功率只有5000千瓦,但原子核裂变释出的巨大能量,以及在那厚厚的混凝土墙和自动开启的铸铁门后面的核反应堆,都给他留下了强烈的印象。为祖国核能事业奋斗终生的想法就这样在青年学子心中扎下根。

  1956年,为了发展我国的原子能事业,清华大学专门成立了工程物理系,从电机、机械、动能等专业中抽调了若干名成绩优异的学生,当时正在机械系念大二的王大中也是其中之一。不过与大多数同学选择核物理不一样,王大中主动选择了反应堆专业。1958年,经上级批准,清华大学决定建设一座2兆瓦的屏蔽试验反应堆和原子能科学技术研究与人才培养基地,刚刚大学毕业的王大中便参与其中。


图2:年轻时的王大中(毕业照)

  23岁半的传奇

  位于燕山脚下的屏蔽试验反应堆是我国第一座自主设计和建造的核反应堆,参与研究和建设的人员平均年龄只有23岁半。

  面临国外的技术封锁,我国迫切需要自力更生地发展自己的核力量,冲破垄断,振兴核能科学技术。参加屏蔽试验反应堆筹建的清华大学师生提出了响亮的誓言:“用我们的双手开创祖国原子能事业的春天!”然而当时的反应堆是保密很严的尖端技术,除了几个年轻教师在401所(现中国原子能科学研究院)的生活区看过俄文图纸外,反应堆是个什么样子,谁也没见过。

  但这支年轻的队伍在建堆过程中敢想敢干,不断在实践中成长。作为主要参与成员之一的王大中负责完成屏蔽试验堆首次临界启动、零功率反应堆建造运行及实验工作、轻水堆中子物理实验、建设大型反应堆高压水热工实脸回路和开展水堆元件临界热负荷研究。从做反应堆模型,到建成零功率反应堆;从跑材料、搞加工,到参加土建与安装;从系统调试,到反应堆一次启动运行成功……他在理论上的探究和实践的磨砺中对反应堆有了更加全面深入的了解。经过六年的艰苦奋斗,清华大学屏蔽试验反应堆终于在1964年9月底建成。

  “建堆也是建人。”回忆起这段难忘的经历时,王大中感慨道:“只有将‘开拓创断’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,科学攻关的过程决不是一帆风顺,而是充满着困难、挫折和风险的,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,靠的是团结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、工程与科学的综合体。只有参加这种顶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,才能在高科技领域做出对国家对人民有益的贡献。”


图3:20世纪60年代初,“200号”基地年轻的建设者(左列自上而下第三为王大中)

  5兆瓦低温供热堆

  1989年11月3日,清华大学核能技术研究所耸立起一座新落成的乳白色建筑物——清华大学5兆瓦低温供热试验堆。室内,指示控制棒位的荧光屏闪闪发光,经过放大的中子计数器哒哒作响,人们在屏息静气地等待一个时刻的到来。

  16点53分,主控制室各种仪表都显示出反应堆已到达首次临界,时任核能所所长的王大中激动地宣布:“5兆瓦低温供热堆首次临界运行成功。”

  国际著名核能专家、联邦德国总理科尔的核能总顾问弗莱厄在贺电中称它是世界核能供热发展史上的一个重要里程碑。国际原子能机构评价认为:“该堆充分利用了非能动安全设计,具有非常高的安全裕度,达到了很高的安全性和可利用率。”


图4:王大中宣布5兆瓦低温核供热堆成功临界

  5兆瓦低温核供热堆的成果先后两次被《科技日报》评为全国十大科技新闻,荣获国家教委科技进步特等奖和国家科技进步一等奖。

  低温核供热堆是当时世界上刚刚出现的一种新型反应堆,它用核能代替烧煤实现城市集中供热供暖,是一种安全、经济、清洁的新型热源,具有良好的社会效益和经济效益。

  从上个世纪60年代后期起,核能真正进入民用阶段。到1978年,全世界运行的核电站已有200多座,但是由于1979年美国三哩岛核电站发生事故,世界核电的发展进入低潮期。到80年代中期,化石能源紧缺使核能的发展再次受到重视,继续探索更为安全的核能技术成为世界核能界的共同目标。

  王大中和他的同事们对国内的能源储量、能源构成、能源需求以及国际核能科学技术发展的趋势做了深入的调查研究后,得出明确的结论:中国需要发展核能,中国能够发展核能。

  在这个分析的基础上,王大中倡议并领导完成了利用屏蔽实脸反应堆实现核能供热的实验。1985年,国家决定在清华大学核能所建设一座 5 兆瓦低温核供热试验堆,把它列为国家“七五”重点科技攻关项目,探索核能多用途利用的科技之路。王大中挑起了主持领导这座反应堆设计和建设的重担。

图5:王大中领导5兆瓦低温核供热堆建设

  王大中曾经形象地说:“搞科学研究,就是要鼓励大家跳起来摘果子。”他在主持领导清华大学 5 兆瓦低温核供热堆设计、研究之时,经过慎重考虑,毅然决定采用“一体化自然循环壳式供热堆”这种很有前瞻性的总体技术方案,并选择了新型水力驱动控制棒、非能动余热载出等具体技术路线,带领着同事们向着具有固有安全特性的先进核能系统发起进攻。

  这是一座不易攀登的高峰。在充分吸取美国三哩岛核事故的教训后,王大中和他的团队提出了一系列新颖的设计思想和有创见的解决方案,失败、改进、再失败、再出发……经过无数的探索,他们终于获得了成功。

图6: 5兆瓦低温核供热堆外景

  王大中领导科研人员在低温堆上取得了7项具有国际先进水平的技术。其中,他亲自参与研究成功的新型反应堆控制棒驱动系统,获得国家首批发明专利、国家发明二等奖和中国专利金奖,他本人获得了7项国家或部委级科技成果奖,取得了 6 项国家专利。


图7:王大中领导5兆瓦低温核供热堆建设

  10兆瓦高温气冷堆

  王大中曾经说他的科研经历就是几个反应堆的拔地而起。实际上,他参与和主持建设的每一座反应堆都对我国核能技术的革新与发展产生了重要影响。近年来引起世界核能界高度关注的模块式高温气冷堆,是王大中领导建设的第二座核反应堆,它是国际第四代先进核能系统的待选堆型之一。

  1981年,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,他选择的研究题目是“模块式中小型高温气冷堆的设计和研究”。在核能领域,这是一个难度很大、意义也很大的全新课题。当时,德国科学家提出了新一代模块式高温气冷堆的概念,这种反应堆具有良好的固有安全特性。

  “尽管这个方向当时只是一个概念,但我觉得它对我们国家将来会有用途。因为我始终认为对核能的利用来说,安全就是生命线,所以必须将来要把安全始终放在第一位。”看中这一点的王大中开始深入思考,并毅然选择了这一研究方向。

  王大中拿出了清华人行胜于言的不懈精神,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… … 足足做了一百多个方案,终于取得了成功。



图8:10兆瓦高温气冷实验堆外景

  被国际上誉为“球床高温堆之父”的于利希反应堆研究所所长苏尔顿教授,对王大中的研究成果给予高度评价,连连称赞“了不起”,并说:“应该申请发明专利。”经过他的积极推荐,王大中发明的“一种在严重事故下具有安全稳定性的球床核反应堆”很快获得联邦德国专利局的批准,并分别获得美国和日本的专利。当时的西德报纸报道王大中的这项成果时说:中国人创造了一个不可想象的奇迹。但那时人们或许想象不到,20年后创造奇迹的王大中会为世界核能的发展带来怎样的惊喜。


图9:王大中指导10兆瓦高温气冷堆工作

  1986年,我国开始旨在跟踪世界高科技发展的863计划,王大中被选为能源领域的首席科学家,那时国家科委将高温气冷堆列为我国未来发展的先进反应堆之一。

  然而就在这一年,前苏联发生了灾难性的核事故----切尔诺贝利核事故,导致方圆30公里的地区遭受严重核辐射,世界核能的发展再次遭到沉重打击,转入低谷。但此时冷静理智的王大中并没有因此动摇研制先进反应堆的决心:“切尔诺贝利事故正好说明了我们需要有固有安全性的反应堆。因为这个事故是一个人为操作的错误,也是一个设计当中的错误,从根本上来说还是因为系统不够先进,无法保证永远不失误。”

  在世界核能发展最低潮的时期,他仔细研究了国际核能的发展,做出了3个重大战略性选择,对中国乃至世界高温气冷堆发展发挥了重要影响:一是模块式球床高温气冷堆堆型;二是从小规模实验堆到全尺寸工业示范电站的发展路线;三是在核心关键技术上坚持自主创新的原则。

  王大中始终坚持核心关键技术要依靠自己的信念。他的这一思想在高温堆重大核心关键技术之一—直径6厘米的球形燃料元件上得到了充分体现。高温堆的燃料元件,完全不同于其他堆型,包含12000个包上四层包覆层的、直径0.92毫米的燃料颗粒。它可耐受1600度高温,能把放射性物质牢牢包容其中。

  燃料元件的研发从最初的技术攻关开始、到年产两万个的清华实验生产线、再到年产十万个的清华中试生产线,直到如今建成了年产30万个燃料球的中核北方元件厂,历经数十年,终于实现了跨越式发展。中国在这样一个肯定会被卡脖子的先进核能技术领域,提前解决了卡脖子技术问题。

  此外,王大中在攀登10MW高温气冷堆这座核能高峰的过程中,带领团队共完成了43项课题攻关,其中15项达到国际先进水平。2003年反应堆在清华大学核能技术设计研究院并网发电成功,这是世界上第一座试验成功的模块式球床高温气冷堆。



图10:科技日报、人民日报头版头条报道10兆瓦高温气冷堆并网发电成功

  2004年9月,国际原子能机构组织24个国家60位科学家见证了“不插入控制棒下反应堆丧失冷却”的安全试验。


图11:国际原子能专家见证10兆瓦高温堆实堆安全试验

  2005年7月,还是在这座反应堆上,进行了美国科学家泰勒设想的、抽出所有控制棒且叠加不紧急停堆的实验。这是世界上迄今为止仅有的在实际反应堆上进行的此类安全验证实验。

  10兆瓦高温气冷实验反应堆成果获得2006年国家科技进步一等奖。

  20万千瓦级商业化示范电站

  在10MW高温堆基础上,王大中积极推进高温堆工业规模的转化,将科学研究成果转化成产业生产力。2006年高温气冷堆核电站被列为国家16个科技重大专项之一。其目标是建设20万千瓦级商业化示范电站,为发展第四代核电技术奠定基础。这是他亲身经历的第四座反应堆。

  在他的指导下,研究团队制定了两个反应堆模块带一台高参数蒸汽轮机的总体技术方案。工程完成了全部研发、工程验证、土建、设备制造和安装。2021年8月,高温气冷堆示范电站已获颁运行许可证。2021年9月12日,高温气冷堆示范电站成功实现反应堆首次达到临界状态,机组正式开启带核功率运行。建在山东石岛湾这座高温气冷堆示范电站全方位实现自主创新,国产化率达90%以上,是世界首座工业规模的模块式高温气冷堆核电站。


图12:王大中在2014年高温气冷堆国际会议上做大会报告

  在2014年国际学术会议上,时任美国著名核科学家说,“中国毫无疑问是全球高温气冷堆的领跑者,而且在未来很长一段时间,中国将继续引领世界。”

  回首来路,这是一条充满艰辛的创新之路。国际上类似团队的领军科学家曾感叹:先进核能项目能否成功不在于谁更聪明,而在于谁更能坚持。中国人最终走在世界前列,这归功于国家的持续支持、产学研合作的体制机制、科学家团队的坚韧不拔,其中一个关键就是长期的带头人王大中。


图13:王大中与亲传弟子、高温气冷堆核电站示范工程总师张作义在工程现场

  改革开放之初,德、美、日的高温气冷堆技术远远领先,我国基础薄、投入少。王大中带领团队近40年艰难的探索,超越了德国、日本、美国,以及以美欧的下一代核电联盟。2012年12月率先启动了工业规模的示范电站建设。近几年美欧核电联盟一直想建设一个类似的工业示范工程,但何时能够落地开工尚无时间表,技术已经落在我国后面。中国第一次在一种工业规模的,先进反应堆技术上领先世界。

  新历程:作为清华校长的十年

  如果说从事核反应堆专业是青年时期的王大中主动的选择,那么1994年1月他被任命为清华大学校长,则是他被组织选择而开启的另一段精彩的人生历程。

  彼时,经过全校师生员工反复酝酿,学校党委提出了一个鼓舞人心的口号,即在2011年清华建校100周年时,把清华大学建成世界一流的具有中国特色的社会主义大学,王大中说:“我们一定不能辜负党和国家对我们的重托,不能辜负全国人民寄予我们的厚望,一定要把建设世界一流大学的创议变成创举。”

  为了实现全校师生员工的理想,王大中不断深入地研究国内外教育发展的经验,研究考查经济和社会发展,特别是现代科学技术的发展对高等教育的要求,引导大家开阔视野,登高望远,审视国际高等教育发展的新趋势、新潮流,立足现实,面向 21 世纪,规划清华大学的教学、科研、队伍建设等各个方面事业的发展。

  在他的领导和主持下,广泛发动全校师生员工研究并确定学校改革的思路和举措,提出要把清华大学办成“综合性、研究型、开放式”的大学,制定了《 清华大学“211工程”规划 》和《清华大学“九五”事业发展规划》,各项工作都取得了可喜的进展。

  在教育改革方面,清华大学已经在全校范围内实行了学分制,并且从 1995 年开始逐步实施了优化本科-硕士衔接培养计划,推进课程体系、教学内容与方法改革,进一步提高研究生培养质量,发展高层次继续教育;在学科建设方面,提出“发挥工科优势,加强理科建设,加速经管学科的发展,建设小而精、有特色、高水平的人文社会学科。”大力促进系、院、所之间的合作与联合,积极创造条件促进学科交叉,发展一批跨系跨学科的“学科群”;在科学研究方面,进一步面向经济建设,加强与企业和地方合作,使科研工作有了新的发展与提高。清华大学取得的所有这些积极成果,都倾注了王大中大量的心血。

  王大中就是这样几十年如一日地拼搏着和奉献着。作为核能科学家,他深耕不辍,以科技领先、意义重大的四座反应堆为标志,成果卓著,走出了我国以固有安全为主要特征的先进核能技术,从跟跑、并跑到领跑世界的成功之路;作为清华大学校长,他又时刻想着尽快实现建成世界一流大学的蓝图。科学家和教育家的风采融于一点,熠熠生辉。

  “九秋风霜越窑开,夺得千峰翠色来。”在已取得的成就的基础上,王大中院士与清华的核研人没有止步,他们奋力拼搏,正走向新的创新历程。经历时光涵养,85岁的他依然精神抖擞,可谓盛夏清华园的一道靓丽的风景线。

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