加强核心技术攻关 推进我国核电事业发展记上海交通大学机械与动力工程学院博士生导师胡珀

◎ 文/陈 浩 王 艳

经过多年发展，我国核科学技术创新及核能产业发展，近期又取得了令人欣喜的新成绩。

2020 年9 月28 日，中国国家电力投资集团宣布，中国具有完全自主知识产权的三代核电技术“国和一号”完成研发。“国和一号”，是中国十六个重大科技专项之一，代表着当今世界三代核电技术的先进水平，是中核电技术研发和产业创新的最新成果。历时12 年科研攻关，建成了具有国际先进水平的三代核电自主创新体系和产业链供应体系，填补了中国核电产业的多项技术和工艺空白，推动了中国核电行业和技术整体升级换代。

“当9 月底宣布整个专项完成了，我非常激动。12 年，所有的努力、研究和团队合作，在这一刻都是值得的。”回忆此前得知专项完成的情形，胡珀依旧难掩兴奋余韵。从2008 年开始，上海交通大学机械与动力工程学院博士生导师胡珀积极参加了国家重大专项“先进大型压水堆核电站和高温气冷堆”相关项目的研究和攻关工作，为全面提高我国大型先进压水堆设计的试验验证能力，提高我国先进核电技术的自主创新和可持续发展的能力，作出了重要的贡献。

积极投身核工程研究，科技创新硕果累累

核电作为投资巨大、安全性要求极高的高科技产业，实现自主化离不开强大的国力支撑。经过30 多年不间断积累的核电工程建设和运营经验，目前我国的核电建设能力已经走在了全球前列。

上海交通大学机械与动力工程学院博士生导师胡珀

目前，我国已拥有两种自主三代核电技术，分别为“国和一号”与“华龙一号”。“国和一号”，也称作CAP1400，是国家重大科技专项之一，由国家电投集团在引进消化吸收国际先进核电技术的基础上，开发的拥有自主知识产权的核电技术，采用“非能动”安全设计理念，单机功率达到150 万千瓦，是我国自主设计的最大功率的核电机组。“国和一号”从2008 年启动研制，至今经过12 年科研攻关，由477 家单位参与整个项目的研发，26000 多名工程设计人员参与其中，而胡珀就是其中的一员。“能亲身参与其中，为中国的核电技术与产业发展做出实质性的贡献，我感到非常荣幸。”胡珀说道。

胡珀从事核工程相关的学术研究和重大工程攻关的工作，至今已有20 年。他的主要研究方向为先进反应堆设计以及安全壳相关技术研究。大型先进压水堆CAP1400 是国家16项重大专项之一，是在全面引进美国西屋公司三代非能动技术基础上自主创新的成果。非能动安全壳冷却系统（PCS）是第三代非能动核电厂安全系统的重要组成部分，是先进压水堆的重要技术特征之一。CAP1400 采用了AP1000 非能动安全设计理念，通过提高堆芯功率、优化总体设计参数，在主要安全性能指标都不低于AP1000 的前提下，提高核电厂的经济性。

多年来，经过不断努力和持续创新，胡珀在安全壳相关的水膜换热，氢气安全试验方面作出了杰出贡献。基于相关研究，2016 年胡珀个人获“技术创新（仪表测量）奖”，2018 年“非能动安全壳冷却系统性能分析及水膜行为研究”项目、“CAP1400ERVC全高度下封头外壁临界热通量试验研究”分别获中国核能行业协会科学技术二等奖、一等奖，2019 年“非能动安全壳水膜行为研究及应用”项目获得国家电力投资集团科技进步三等奖。依托学校资源，近年来他主持、参与了科技重大专项、青年科研基金等多项重要项目，并作出了重大贡献。

开展安全壳性能研究，保障核电站安全

2008年回国后，胡珀开始参与“先进大型压水堆核电站和高温气冷堆”相关项目的研究和攻关工作，同时长期承担了多项该重大专项下辖课题，其中尤以“CAP1400 非能动安全壳冷却系统性能研究及试验”课题下第二子课题“水膜相关关键试验”，以及“严重事故机理及现象学研究”课题下第二子课题试验专题“氢气缓解措施试验”为代表，这两个试验课题都是对设计事故以及严重事故状态下核电站系统安全壳性能研究而设立。

“只有对非能动安全壳冷却系统运行过程中的物理现象和它对实际工程应用的整体性能有深刻的理解，才能真正掌握非能动安全壳冷却系统的核心技术，才能为我国自主设计的CAP1400 的非能动安全壳冷却系统提供理论和技术支撑，使我国对大型先进压水堆核电厂设计，实现关键技术的消化和再创新。”胡珀说道。

胡珀在氢气试验后与专家合影

我国“国和一号”CAP1400 的非能动安全壳冷却系统，在事故条件下，安全壳顶部水箱中的储水会由重力驱动，通过安全壳穹顶附近的围堰分配，均匀散布到安全壳外壁面上，形成空气水膜交叉蒸发换热的效果，有效控制安全壳内的温度和压力，保证安全壳的完整性，防止安全壳内有害的放射性物质泄漏到环境中。

胡珀表示，作为CAP1400 的重要安全系统和设计特征，非能动安全壳冷却系统利用重力注射和自然循环，以壳内蒸汽冷凝、壳外水膜蒸发为主要排热途径，带走事故后安全壳内热量，从而确保安全壳完整性和核电厂安全性。

为了设计有效的非能动安全壳冷却系统，需要合理布置围堰，在与安全壳内热源变化相匹配的水流量下，均匀分配水膜，保持对安全壳的高覆盖面积，同时，对交叉对流换热需要有评估其实际工况条件下的换热能力。针对以上需要，胡珀带领团队经过详细的设计分析，提出了水膜冷态试验和水膜热态试验方案，采用了激光水膜测厚，高热通量高热均匀性的加热方式，有效地解决水膜边缘追踪和定位，以及测厚的技术难题，并通过创新式的均匀加热方法，建立起了验证试验所必需的大尺度等温边界条件。验证结果有力地证明了国和一号的非能动安全壳水膜分布的高覆盖率，以及全工况下的冷却能力，为该系统的定型制造作出了卓越贡献。

据胡珀介绍，“水膜相关关键试验”主要关注水膜在大平板上的分布特性，以及空气-水交叉换热性能，从工程实际出发简化出主要的试验主体，即高热流均匀加热的大平板（5mX1.2m， 最 高 热 流＞100KW/m2)，以及上部的矩形截面长通道（5米），为解决加热问题，胡珀创新提出了密集导热管式的加热方式，在探测技术上，水膜采用激光测厚，热流探头直接测量热流密度等国际上领先方案，圆满地完成了试验任务，分析提出了新的非能动安全壳条件下，空气和水交叉对流换热关系式，不仅很好的诠释了实验现象，而且也能涵盖预测国外同类不同实验数据，首次全面而准确预测非能动安全壳的关键换热行为，为安全壳设计和优化提供了有力的技术支撑。

该试验作为CAP1400 核电站的六大关键试验17 项试验任务中两项“水膜冷态试验”和“水膜热态试验”，于2015 年中期通过国家安审当局专家验收，有力地保证了新型国产化压水堆核电站的顺利建设工作。

此外，为保证严重事故下安全壳的完整性，胡珀还开展了氢气缓解措施试验的研究。

据了解，压水堆核电站发生严重事故时燃料包壳发生锆水反应可产生大量氢气。氢气燃烧可导致安全壳内的温度和压力上升，尤其是高浓度时的氢气爆炸可产生瞬时高温、高压，严重威胁安全壳的完整性。“氢气缓解措施试验”是在中型（～10m3）密封罐体内验证氢气-空气混合气体在不同混合浓度（4%-29% H2）下，在水蒸气、喷淋、气溶胶等影响下的氢气点火器和金属催化复合器的工作效能。“因为该试验的特殊性，迄今为止国内尚无公开文献在同一体积上突破5%的氢气浓度试验结果。”胡珀表示。

在此背景下，胡珀积极带领年轻的实验团队，边试验边摸索，成功获得高达14%H2 浓度下10m3空间的点火试验数据，取得了其火焰发展轨迹，以及火焰前锋的发展速度等数据，并与专用氢气分析程序GASFLOW 进行了计算比较，获得了良好对比结果。该实验结果得到了国际同行的广泛肯定，成功入选中欧核能大型严重事故实验合作项目ALISA，成功为欧洲同行提供了制定的12%的氢气试验，后又获邀参与欧洲的气溶胶气体分布和消除的IPRESCA 研究项目，并作为唯一一家国内单位参与氢气/一氧化碳的燃烧试验SAMHYCO-NET合作项目，有效地提升了中国在氢气燃烧试验研究的国际影响力。

水膜试验台

发挥桥梁纽带作用，搭建产学研合作平台

在建设创新型国家的过程中，产学研合作教育是高校履行社会职责、贯彻党的教育方针、全面实施素质教育、培养创新人才诸多模式中影响最深远、效果最明显的一种模式，也是高校为地方经济发展服务必然要走的一条根本道路。高校着眼于知识创新和人才培养，是科技产业化的源头。企业是科技成果的需求方和转化方，是科技成果转化的主要推动力量，加强产学研合作是打通创新链条、促进创新发展的重要支撑。

由于核工程研究领域的特殊性，国家管控严格，技术门槛较高，科研单位对外合作开展相对较少。但胡珀始终瞄准国家重大需求，迎难而上，长期坚持带领团队致力于核工程相关的学术研究的创新，注重产学研的结合，解决实际工程问题。

为使科学研究落地，胡珀兼任了台海玛努尔核原（上海）能源设备有限公司总工程师，同时积极牵头上海交通大学与台海玛努尔核原公司建立产学研合作。台海玛努尔核原公司主要致力于核电系统装备与核环保技术装备领域，为核电新型系统性装备、核电检维修、放射性废物处理、乏燃料管理、核设施退役等提供服务。公司坚持“安全第一、质量第一”的方针，遵循积极发展、努力提高、自主创新的指导思想，为我国核电事业的发展作出了应有的贡献。

在胡珀看来，科研工作的目标要落地，要产生价值、实现产业化，就必须走产学研结合的道路。对此，他带领团队在核工程相关的学术方面做了很多前沿研究，并开展了产学研合作创新研究与实践。

据胡珀介绍，核电站主蒸汽管道断裂是核电站安全分析中的典型事故，在严重工况下将导致堆芯冷却能力丧失，带来严重的设备损失甚至环境灾害。但是管道断裂在一般情况下，并不是毫无征兆突然发生，往往会在有微小渗漏的管段逐渐发展产生。如果能长期监测该管道的蒸汽泄漏状态，提前预警，将能极大地降低主蒸汽管道泄露的概率，大幅提高核电站的安全性。

国际上同类探测设备长期控制在法国阿海珐等核电巨头手中，为打破国外的垄断，也为中国国和一号CAP1400 装上自主的管道泄漏探测设备，胡珀带领课题组针对该设备的主要技术难点开展攻关工作，连续突破了长距离高温高湿管路环境复现，常压高温蒸汽的渗透工艺，以及快速蒸汽探测和信号处理等多个难点，用时一年即完成了主蒸汽管道泄漏探测系统原理样机的开发，经过上海核工程研究设计院专家考察，达到了核电站应用要求，具备了进入工程样机设计和试验的能力。

“我们的产学研合作成果，如主蒸汽管道泄漏探测系统原理样机的开发等，均在实际应用中取得了非常好的效果，因此我们也将继续进行产品化的深入探索，并反哺基础理论研究，进一步提高相关技术的成熟度。”胡珀表示。

为深入推进上海交通大学与台海玛努尔核原公司产学研合作，让科研成果更具价值，胡珀还积极推动人才联合培养基地的建立，就多项科研项目达成了实质性的产学研合作研发关系。同时也参与了相关技术的引进和推广应用转化工作，成为了上海交大与台海玛努尔核原公司产学研合作重要的桥梁和纽带，为产学研合作创新作出了重要贡献。

回首过往，再启新征程

胡珀投身核工程相关的学术研究，是从2001 年赴美留学时开始的。2001 年，在清华大学工程物理系本科毕业后，胡珀赴美国威斯康辛大学麦迪逊分校攻读研究生及博士学位。在国外研究期间，胡珀主要从事热工水力和中子计算程序的耦合分析工作，比业界使用的最佳估算的独立热工流体计算模型能获得更加精确的计算结果。

一路上的攻坚克难，胡珀也取得了耀眼的成绩。在分别改进热工程序、中子程序以及耦合算法的基础上，首次发现了在超临界水堆中冷却剂通道流动逆转的现象。该研究工作对超临界堆美国的参考设计进行了稳态，燃耗和事故分析，有效促进了超临界堆的堆芯设计。

人们常说，“科学无国界，但科学家有自己的祖国”。虽然在国外也开展了一些卓有成效的研究，但国内欣欣向荣的经济和科技发展形势，以及政府对科学研究的支持力度，令他倍感欣慰。在祖国的召唤下，胡珀毅然选择回到国内，积极投身于核工程相关的学术研究和重大工程攻关的工作。“国家需要我，项目需要我，我自然义不容辞。”胡珀说道。

2008 年回国后，胡珀就进入了上海交通大学，在进行科研工作的同时，也从事日常的教学工作。在日常教学中，胡珀常教导学生在注重基础理论研究的同时也要脚踏实地，回到中国的当前核工程制造和加工的现状，积极掌握新技术、开发新思路。在人才培养中，他对团队的建设，强调针对性、稳定性、高效性和高水平支撑功能。最看重团队的协作精神，希望成员各有所长能把各自的理念、观点、擅长的东西融会贯通，达到1+1＞2 的效果。

千里之行，始于足下。逐步攻克技术难题，保障核电站安全、搭建平台，加强产学研合作创新、打造科研硬条件……回国十余年，胡珀的各项工作渐次展开。如今，随着“国和一号”的成功研发，他又马不停蹄地奔向了一段新的征程。

“国和一号已顺利收官，是结束也是新的起点。我要不忘初心，围绕核心技术，充分发挥自主创新能力，持续推进科技产业化，加强产学研合作，为国家和社会作出应有的贡献。”谈及未来，胡珀满怀期待地说。