加強核心技術攻關 推進我國核電事業發展記上海交通大學機械與動力工程學院博士生導師胡珀

◎ 文/陳 浩 王 艷

經過多年發展，我國核科學技術創新及核能產業發展，近期又取得了令人欣喜的新成績。

2020 年9 月28 日，中國國家電力投資集團宣布，中國具有完全自主知識產權的三代核電技術“國和一號”完成研發。“國和一號”，是中國十六個重大科技專項之一，代表著當今世界三代核電技術的先進水平，是中核電技術研發和產業創新的最新成果。歷時12 年科研攻關，建成了具有國際先進水平的三代核電自主創新體系和產業鏈供應體系，填補了中國核電產業的多項技術和工藝空白，推動了中國核電行業和技術整體升級換代。

“當9 月底宣布整個專項完成了，我非常激動。12 年，所有的努力、研究和團隊合作，在這一刻都是值得的。”回憶此前得知專項完成的情形，胡珀依舊難掩興奮余韻。從2008 年開始，上海交通大學機械與動力工程學院博士生導師胡珀積極參加了國家重大專項“先進大型壓水堆核電站和高溫氣冷堆”相關項目的研究和攻關工作，為全面提高我國大型先進壓水堆設計的試驗驗證能力，提高我國先進核電技術的自主創新和可持續發展的能力，作出了重要的貢獻。

積極投身核工程研究，科技創新碩果累累

核電作為投資巨大、安全性要求極高的高科技產業，實現自主化離不開強大的國力支撐。經過30 多年不間斷積累的核電工程建設和運營經驗，目前我國的核電建設能力已經走在了全球前列。

上海交通大學機械與動力工程學院博士生導師胡珀

目前，我國已擁有兩種自主三代核電技術，分別為“國和一號”與“華龍一號”。“國和一號”，也稱作CAP1400，是國家重大科技專項之一，由國家電投集團在引進消化吸收國際先進核電技術的基礎上，開發的擁有自主知識產權的核電技術，采用“非能動”安全設計理念，單機功率達到150 萬千瓦，是我國自主設計的最大功率的核電機組。“國和一號”從2008 年啟動研制，至今經過12 年科研攻關，由477 家單位參與整個項目的研發，26000 多名工程設計人員參與其中，而胡珀就是其中的一員。“能親身參與其中，為中國的核電技術與產業發展做出實質性的貢獻，我感到非常榮幸。”胡珀說道。

胡珀從事核工程相關的學術研究和重大工程攻關的工作，至今已有20 年。他的主要研究方向為先進反應堆設計以及安全殼相關技術研究。大型先進壓水堆CAP1400 是國家16項重大專項之一，是在全面引進美國西屋公司三代非能動技術基礎上自主創新的成果。非能動安全殼冷卻系統（PCS）是第三代非能動核電廠安全系統的重要組成部分，是先進壓水堆的重要技術特征之一。CAP1400 采用了AP1000 非能動安全設計理念，通過提高堆芯功率、優化總體設計參數，在主要安全性能指標都不低于AP1000 的前提下，提高核電廠的經濟性。

多年來，經過不斷努力和持續創新，胡珀在安全殼相關的水膜換熱，氫氣安全試驗方面作出了杰出貢獻。基于相關研究，2016 年胡珀個人獲“技術創新（儀表測量）獎”，2018 年“非能動安全殼冷卻系統性能分析及水膜行為研究”項目、“CAP1400ERVC全高度下封頭外壁臨界熱通量試驗研究”分別獲中國核能行業協會科學技術二等獎、一等獎，2019 年“非能動安全殼水膜行為研究及應用”項目獲得國家電力投資集團科技進步三等獎。依托學校資源，近年來他主持、參與了科技重大專項、青年科研基金等多項重要項目，并作出了重大貢獻。

開展安全殼性能研究，保障核電站安全

2008年回國后，胡珀開始參與“先進大型壓水堆核電站和高溫氣冷堆”相關項目的研究和攻關工作，同時長期承擔了多項該重大專項下轄課題，其中尤以“CAP1400 非能動安全殼冷卻系統性能研究及試驗”課題下第二子課題“水膜相關關鍵試驗”，以及“嚴重事故機理及現象學研究”課題下第二子課題試驗專題“氫氣緩解措施試驗”為代表，這兩個試驗課題都是對設計事故以及嚴重事故狀態下核電站系統安全殼性能研究而設立。

“只有對非能動安全殼冷卻系統運行過程中的物理現象和它對實際工程應用的整體性能有深刻的理解，才能真正掌握非能動安全殼冷卻系統的核心技術，才能為我國自主設計的CAP1400 的非能動安全殼冷卻系統提供理論和技術支撐，使我國對大型先進壓水堆核電廠設計，實現關鍵技術的消化和再創新。”胡珀說道。

胡珀在氫氣試驗后與專家合影

我國“國和一號”CAP1400 的非能動安全殼冷卻系統，在事故條件下，安全殼頂部水箱中的儲水會由重力驅動，通過安全殼穹頂附近的圍堰分配，均勻散布到安全殼外壁面上，形成空氣水膜交叉蒸發換熱的效果，有效控制安全殼內的溫度和壓力，保證安全殼的完整性，防止安全殼內有害的放射性物質泄漏到環境中。

胡珀表示，作為CAP1400 的重要安全系統和設計特征，非能動安全殼冷卻系統利用重力注射和自然循環，以殼內蒸汽冷凝、殼外水膜蒸發為主要排熱途徑，帶走事故后安全殼內熱量，從而確保安全殼完整性和核電廠安全性。

為了設計有效的非能動安全殼冷卻系統，需要合理布置圍堰，在與安全殼內熱源變化相匹配的水流量下，均勻分配水膜，保持對安全殼的高覆蓋面積，同時，對交叉對流換熱需要有評估其實際工況條件下的換熱能力。針對以上需要，胡珀帶領團隊經過詳細的設計分析，提出了水膜冷態試驗和水膜熱態試驗方案，采用了激光水膜測厚，高熱通量高熱均勻性的加熱方式，有效地解決水膜邊緣追蹤和定位，以及測厚的技術難題，并通過創新式的均勻加熱方法，建立起了驗證試驗所必需的大尺度等溫邊界條件。驗證結果有力地證明了國和一號的非能動安全殼水膜分布的高覆蓋率，以及全工況下的冷卻能力，為該系統的定型制造作出了卓越貢獻。

據胡珀介紹，“水膜相關關鍵試驗”主要關注水膜在大平板上的分布特性，以及空氣-水交叉換熱性能，從工程實際出發簡化出主要的試驗主體，即高熱流均勻加熱的大平板（5mX1.2m， 最 高 熱 流＞100KW/m2)，以及上部的矩形截面長通道（5米），為解決加熱問題，胡珀創新提出了密集導熱管式的加熱方式，在探測技術上，水膜采用激光測厚，熱流探頭直接測量熱流密度等國際上領先方案，圓滿地完成了試驗任務，分析提出了新的非能動安全殼條件下，空氣和水交叉對流換熱關系式，不僅很好的詮釋了實驗現象，而且也能涵蓋預測國外同類不同實驗數據，首次全面而準確預測非能動安全殼的關鍵換熱行為，為安全殼設計和優化提供了有力的技術支撐。

該試驗作為CAP1400 核電站的六大關鍵試驗17 項試驗任務中兩項“水膜冷態試驗”和“水膜熱態試驗”，于2015 年中期通過國家安審當局專家驗收，有力地保證了新型國產化壓水堆核電站的順利建設工作。

此外，為保證嚴重事故下安全殼的完整性，胡珀還開展了氫氣緩解措施試驗的研究。

據了解，壓水堆核電站發生嚴重事故時燃料包殼發生鋯水反應可產生大量氫氣。氫氣燃燒可導致安全殼內的溫度和壓力上升，尤其是高濃度時的氫氣爆炸可產生瞬時高溫、高壓，嚴重威脅安全殼的完整性。“氫氣緩解措施試驗”是在中型（～10m3）密封罐體內驗證氫氣-空氣混合氣體在不同混合濃度（4%-29% H2）下，在水蒸氣、噴淋、氣溶膠等影響下的氫氣點火器和金屬催化復合器的工作效能。“因為該試驗的特殊性，迄今為止國內尚無公開文獻在同一體積上突破5%的氫氣濃度試驗結果。”胡珀表示。

在此背景下，胡珀積極帶領年輕的實驗團隊，邊試驗邊摸索，成功獲得高達14%H2 濃度下10m3空間的點火試驗數據，取得了其火焰發展軌跡，以及火焰前鋒的發展速度等數據，并與專用氫氣分析程序GASFLOW 進行了計算比較，獲得了良好對比結果。該實驗結果得到了國際同行的廣泛肯定，成功入選中歐核能大型嚴重事故實驗合作項目ALISA，成功為歐洲同行提供了制定的12%的氫氣試驗，后又獲邀參與歐洲的氣溶膠氣體分布和消除的IPRESCA 研究項目，并作為唯一一家國內單位參與氫氣/一氧化碳的燃燒試驗SAMHYCO-NET合作項目，有效地提升了中國在氫氣燃燒試驗研究的國際影響力。

水膜試驗臺

發揮橋梁紐帶作用，搭建產學研合作平臺

在建設創新型國家的過程中，產學研合作教育是高校履行社會職責、貫徹黨的教育方針、全面實施素質教育、培養創新人才諸多模式中影響最深遠、效果最明顯的一種模式，也是高校為地方經濟發展服務必然要走的一條根本道路。高校著眼于知識創新和人才培養，是科技產業化的源頭。企業是科技成果的需求方和轉化方，是科技成果轉化的主要推動力量，加強產學研合作是打通創新鏈條、促進創新發展的重要支撐。

由于核工程研究領域的特殊性，國家管控嚴格，技術門檻較高，科研單位對外合作開展相對較少。但胡珀始終瞄準國家重大需求，迎難而上，長期堅持帶領團隊致力于核工程相關的學術研究的創新，注重產學研的結合，解決實際工程問題。

為使科學研究落地，胡珀兼任了臺海瑪努爾核原（上海）能源設備有限公司總工程師，同時積極牽頭上海交通大學與臺海瑪努爾核原公司建立產學研合作。臺海瑪努爾核原公司主要致力于核電系統裝備與核環保技術裝備領域，為核電新型系統性裝備、核電檢維修、放射性廢物處理、乏燃料管理、核設施退役等提供服務。公司堅持“安全第一、質量第一”的方針，遵循積極發展、努力提高、自主創新的指導思想，為我國核電事業的發展作出了應有的貢獻。

在胡珀看來，科研工作的目標要落地，要產生價值、實現產業化，就必須走產學研結合的道路。對此，他帶領團隊在核工程相關的學術方面做了很多前沿研究，并開展了產學研合作創新研究與實踐。

據胡珀介紹，核電站主蒸汽管道斷裂是核電站安全分析中的典型事故，在嚴重工況下將導致堆芯冷卻能力喪失，帶來嚴重的設備損失甚至環境災害。但是管道斷裂在一般情況下，并不是毫無征兆突然發生，往往會在有微小滲漏的管段逐漸發展產生。如果能長期監測該管道的蒸汽泄漏狀態，提前預警，將能極大地降低主蒸汽管道泄露的概率，大幅提高核電站的安全性。

國際上同類探測設備長期控制在法國阿海琺等核電巨頭手中，為打破國外的壟斷，也為中國國和一號CAP1400 裝上自主的管道泄漏探測設備，胡珀帶領課題組針對該設備的主要技術難點開展攻關工作，連續突破了長距離高溫高濕管路環境復現，常壓高溫蒸汽的滲透工藝，以及快速蒸汽探測和信號處理等多個難點，用時一年即完成了主蒸汽管道泄漏探測系統原理樣機的開發，經過上海核工程研究設計院專家考察，達到了核電站應用要求，具備了進入工程樣機設計和試驗的能力。

“我們的產學研合作成果，如主蒸汽管道泄漏探測系統原理樣機的開發等，均在實際應用中取得了非常好的效果，因此我們也將繼續進行產品化的深入探索，并反哺基礎理論研究，進一步提高相關技術的成熟度。”胡珀表示。

為深入推進上海交通大學與臺海瑪努爾核原公司產學研合作，讓科研成果更具價值，胡珀還積極推動人才聯合培養基地的建立，就多項科研項目達成了實質性的產學研合作研發關系。同時也參與了相關技術的引進和推廣應用轉化工作，成為了上海交大與臺海瑪努爾核原公司產學研合作重要的橋梁和紐帶，為產學研合作創新作出了重要貢獻。

回首過往，再啟新征程

胡珀投身核工程相關的學術研究，是從2001 年赴美留學時開始的。2001 年，在清華大學工程物理系本科畢業后，胡珀赴美國威斯康辛大學麥迪遜分校攻讀研究生及博士學位。在國外研究期間，胡珀主要從事熱工水力和中子計算程序的耦合分析工作，比業界使用的最佳估算的獨立熱工流體計算模型能獲得更加精確的計算結果。

一路上的攻堅克難，胡珀也取得了耀眼的成績。在分別改進熱工程序、中子程序以及耦合算法的基礎上，首次發現了在超臨界水堆中冷卻劑通道流動逆轉的現象。該研究工作對超臨界堆美國的參考設計進行了穩態，燃耗和事故分析，有效促進了超臨界堆的堆芯設計。

人們常說，“科學無國界，但科學家有自己的祖國”。雖然在國外也開展了一些卓有成效的研究，但國內欣欣向榮的經濟和科技發展形勢，以及政府對科學研究的支持力度，令他倍感欣慰。在祖國的召喚下，胡珀毅然選擇回到國內，積極投身于核工程相關的學術研究和重大工程攻關的工作。“國家需要我，項目需要我，我自然義不容辭。”胡珀說道。

2008 年回國后，胡珀就進入了上海交通大學，在進行科研工作的同時，也從事日常的教學工作。在日常教學中，胡珀常教導學生在注重基礎理論研究的同時也要腳踏實地，回到中國的當前核工程制造和加工的現狀，積極掌握新技術、開發新思路。在人才培養中，他對團隊的建設，強調針對性、穩定性、高效性和高水平支撐功能。最看重團隊的協作精神，希望成員各有所長能把各自的理念、觀點、擅長的東西融會貫通，達到1+1＞2 的效果。

千里之行，始于足下。逐步攻克技術難題，保障核電站安全、搭建平臺，加強產學研合作創新、打造科研硬條件……回國十余年，胡珀的各項工作漸次展開。如今，隨著“國和一號”的成功研發，他又馬不停蹄地奔向了一段新的征程。

“國和一號已順利收官，是結束也是新的起點。我要不忘初心，圍繞核心技術，充分發揮自主創新能力，持續推進科技產業化，加強產學研合作，為國家和社會作出應有的貢獻。”談及未來，胡珀滿懷期待地說。