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　　講座簡介：近日，張作義教授應清華大學國家大學生文化素質(zhì)教育基地、清華大學學生科協(xié)邀請，在《文化素質(zhì)教育講座》課程上發(fā)表了題為《走在世界核能科技創(chuàng)新的巔峰》的精彩演講。本期清華大講堂摘錄了演講的精彩內(nèi)容，經(jīng)過主辦方和演講嘉賓允許授權(quán)發(fā)布，以饗讀者。

　　演講人介紹

　　張作義，男，清華大學研究員，博士生導師，教育部長江學者特聘教授，清華大學核能與新能源技術(shù)研究院院長兼總工程師。兼任國家科技重大專項高溫氣冷堆核電站總設計師, 清華大學校務委員會委員，中國核學會常務理事，國家核電自主化專家組成員。

　　講座核心觀點

　　中國的核能技術(shù)已經(jīng)開始走向世界領先，這得益于中國發(fā)展的大環(huán)境，也得益于研究者們的艱苦創(chuàng)新。清華大學在我國的核事業(yè)發(fā)展中做出了突出的貢獻。建設核反應堆，實現(xiàn)共同的固有安全夢想，需要一代又一代人的不懈努力。

　　講座實錄

　　今天的講座不僅僅是要跟大家做科普，同時也想跟大家分享一下人生的體驗。我們正在做的是全球首臺商業(yè)規(guī)模的四代核電的示范工程。在四代核電的首臺商業(yè)示范電站項目上，中國人走到前頭去了。

　　1 領跑全球的核電站

　　首先介紹一下清華大學牽頭實施的國家科技重大專項——山東石島灣20萬千瓦核電站。在中國的高等院校，牽頭重大專項只有清華，這是清華的自豪和驕傲。山東榮成石島灣在我們國家山東最靠東的海邊。清華大學的核反應實驗堆是我的老師那一輩人建成的，而我2001年就任核研院的院長，在前輩的成果基礎之上，要帶領核研院再創(chuàng)輝煌。為建立核電站選廠址，我們從中國的南邊，沿著海岸線轉(zhuǎn)，而且還沿著長江走了很遠，大概走了十余個省市。

　　2008年2月，國務院常務會議上批準了”大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”科技重大專項的總體實施方案，其中有我們在做的這個項目，連科研帶示范工程建設按照60億人民幣下達了資金安排，我被任命為這個項目的總設計師，作為編寫組組長和大家一起完成了總體實施方案編制和報批。2008年的8月8號，在山東石島灣開始挖地基，地基往地下挖20米。

　　到了2009年的9、10月份，完成了核電站的安全評審。安全評審經(jīng)歷數(shù)年,大概要咱們這個屋這么多人的（300余人）專家提問題。假想各種可能出現(xiàn)的失誤和事故。我們對每個問題都要書面回答，這些回答必須要有依據(jù)，尤其要有實驗數(shù)據(jù)的支撐。我們大概回答了幾千個問題。我們尤其害怕大學剛畢業(yè)的同學提問題。他可以海闊天空的問，但是有的問題是很難回答的，比如1+1為什么等于2。在最后的全國頂級核安全專家會議上，我們對可能提出的質(zhì)疑做了充分的準備，預期可能提10個問題，我們就要按100個問題做出回答。我本人也準備了PPT，準備在會議上直接回答。在會議結(jié)束后，我本人已經(jīng)累得坐在椅子上無法動彈，就像虛脫一樣。當時引進的三代核電站也在開展安全審查，但是工作上我們累得多，因為引進技術(shù)有洋人做后盾，當時國人心里對洋人說的話似乎更加信任。

　　安全審查順利通過之后，我們準備開始正式動工。在核電行業(yè)，叫“澆第一灌混凝土”，就是說這個工程可以不可逆的往前走了。但是我們沒開工，因為這是世界上最近30年來少有的具有革命性創(chuàng)新意義的商業(yè)示范工程，來自各方面的意見我們都要回答，國家也非常謹慎。這個等待的過程一直到2011年3月1號，溫家寶總理主持的國務院常務會議批準了這個項目，終于可以啟動了！當時我們歡呼雀躍就準備去做了。要知道，這個機會，美國人努力過，德國人努力過，南非人也努力過，日本人也一直在堅持，最后，有可能在中國，由一個大學牽頭，就要抓住了。結(jié)果在公文從中央下達過程中，3月11號，日本大地震導致福島核電站反應堆所在廠房發(fā)生爆炸，堆芯熔化，放射性大量外泄。3月14號，國務院緊急召開會議，整頓全國的核電站。會議過后，當時還沒開工的核電站全部暫停，所有在建的核電站要進行安全大檢查。當時我的感覺是，“大水沖了龍王廟”，本來我們這個技術(shù)的最大亮點就是固有安全，就是要實現(xiàn)一種反應堆，即使發(fā)生比福島更嚴重的事故，沒有水也沒有電，反應堆也不會發(fā)生嚴重事故。但是，福島核電站事故最先直接沖擊的就是我們這樣的項目。

　　之后我們進入等待期，接受了安全大檢查，回答了各種問題，直到2012年的12月9號，我們得到國務院的批準，澆了第一灌混凝土。成了全球在福島核電站事故后第一個正式開工建設的核電站項目。

　　核電站和普通電站區(qū)別在哪里呢？最重要的是核電站里頭的核反應堆模塊。核反應堆模塊要通過核裂變來加熱水成為高溫高壓蒸汽，然后水蒸氣送到汽輪機發(fā)電。根據(jù)目前的設計，核電廠從開始運行到退役的周期是40年，產(chǎn)生的所有核廢物裝在一個大約1000平米的房間內(nèi)就足夠了。這就是核電廠跟別的電廠相比的優(yōu)勢。一個類似規(guī)模的燒煤的電廠，一年要燒掉近百萬噸的煤，廢物的存放、處理消耗巨大。

　　到了2013年年底，在山東石島灣的核電站已經(jīng)基本上建設到了跟地面平行的位置。2014年已經(jīng)達到地面以上20米。到今年年中，核電站廠房就要封頂，總重量達700多噸的反應堆壓力容器，就要完成在上海的制造，運到山東現(xiàn)場開始安裝。我家住在8樓，我經(jīng)常想，制造完成的這個壓力容器大概就是8層樓高，能夠制造這種容器的國家不會超過2-3個，已經(jīng)達到了世界高端制造業(yè)的頂尖水平。而這個容器的設計和技術(shù)支撐，就來自清華的老師。

　　2 研究生時代安全的核能夢想

　　目前中國在高溫氣冷反應堆技術(shù)上已經(jīng)取得了世界領先地位，這個已經(jīng)得到了其他國家的承認。俄羅斯OKBM研究院的領導送給我們一個禮品，禮品上寫著“to the leader”，要知道這個研究院搞過幾百個核反應堆。前蘇聯(lián)的核潛艇，快中子反應堆，包括現(xiàn)在正在建造的浮動式核電站，都來自這個研究院。

　　人類文明必須要有電，發(fā)電需要能源；但是現(xiàn)在我們中又有很多人希望做環(huán)保主義者。我曾經(jīng)跟德國的綠色和平主義者對話，我問他們：“你不是想要好的生活嗎？那你不需要電力嗎？不需要汽車嗎？如果都不要的話，那你怎么維持生活？”他們的回答是：“人類環(huán)境是有一定承載力的，人類要消耗能量，但是不能超出環(huán)境的承載力。”我當時覺得很有道理。但有別的德國人后來跟我說，這些環(huán)保主義者都是嘴上一套，背后一套。他們的奔馳車不會丟掉，冬天的供暖也不會停掉。人類文明需要能源，但是有能源就必定要直面并努力去降低污染。即使德國人真的能實現(xiàn)可再生能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，但是這個世界是一個競爭的世界，德國人不可能獨立建設一個理想國，他們的企業(yè)缺乏競爭力怎么辦。我小的時候住在海邊，整天看到港口里停的都是掛滿打著補丁的帆的帆船，終于有一天，帆船沒了，時代進步了。當年中國人開著帆船去對壘洋火輪的時候，結(jié)果只能是割地賠款。

　　這個圖片給大家看到的是瑞士的一個核電廠。排出來的東西只有水蒸氣，核電廠周邊是非常漂亮的。如果能安全利用原子能的話，真的是非常美好的，因為原子能發(fā)電的排放幾乎為零。但是一旦出現(xiàn)重大核事故后果就會非常嚴重。核安全問題是人類面臨的一個重大問題。如果原子能能把安全問題解決了，那么PM2.5問題也就比較容易解決了。所以核安全的難題是世紀性的難題。

　　人類真的沒法解決這個問題嗎？實際上這個問題實際上是很簡單的問題，有高中物理背景的人就能理解。核裂變終止后會存在衰變熱。產(chǎn)生多少能量，就能計算發(fā)生了多少次核裂變，也就能夠精確知道裂變終止后衰變的能量的大小，可以精確到小數(shù)點后的幾位。這個能量大約是反應堆滿功率運行時的百分之幾。你們知道百分之幾的能量有多大嗎？大約有幾萬千瓦。在福島，這些能量在大約一個小時的時間內(nèi)就能把反應堆給燒穿了。要防止燒穿，只需要簡單計算幾萬千瓦的能量在一個小時里能夠把多少噸的水燒開了成為蒸汽。計算的結(jié)果讓人驚奇，一小時大約10噸的水，也就是一小時開一輛消防水車運過去的水量就能夠把反應堆冷卻下來。所以解決這個問題很簡單，只要一個水管，加上一個小時10噸水。

　　可惜的是，就是這么簡單的要求，那么多的日本人，集全國之力也沒有解決。現(xiàn)在看來，那個反應堆就像是一個高壓鍋，即使有水，有管道，也不一定能夠注進去。而且時間很短，也就1小時左右的時間，幾個請示就沒有了。后來專家又發(fā)明一個辦法，叫抽水馬桶。把水放在高處，到時別忘記拉一下，也能解決問題。

　　但人類還有另一種思路，就是從物理學的定理出發(fā)。如果有更加堅固的材料例如碳化硅等，使核反應堆的堆芯耐更高的溫度。如果能夠?qū)⒎磻衙總€單位空間產(chǎn)生能量減少，也就是降低功率密度，同時選擇一個合適的散熱表面面積。人們總能夠通過求解能量守恒方程和傅里葉導熱方程，僅僅依靠導熱和輻射，甚至不考慮氣體的自然對流，總能找到一個合適的反應堆的功率，這個反應堆在任何情況下的最高溫度不會超過材料失效的溫度。這個題目同學們用中學的物理知識就能解。我們求解的結(jié)果，就是大約在每個反應堆熱功率是25萬千瓦，轉(zhuǎn)換成發(fā)電功率是10萬千瓦的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)這個目標。全世界目前唯一能夠按照這個機理實現(xiàn)的反應堆，并且做到跟商業(yè)化推廣同等大小的反應堆，我們是頭一個。這就是實現(xiàn)我們夢想的核心理念。

　　2004年的時候，我們在清華大學200號基地的10MW高溫氣冷實驗堆用實際運行的反應堆做了一個實驗。當反應堆在正常運行時，突然讓它完全喪失把能量帶走的電力，讓反應堆干燒，這相當于2011年福島遇到的情況。我們當時做的，甚至走的更遠，也就是控制棒沒有下落，相當于沒踩剎車，讓反應堆自己解決。結(jié)果，反應堆依靠自身的物理特性，自己停了下來，能量通過表面自然散發(fā)，沒有任何問題。實驗過后反應堆可以繼續(xù)開動運行。當然這樣的實驗是在國家核安全局的嚴格監(jiān)管下進行的，事先必須證明萬無一失。當時國際原子能機構(gòu)組織了20-30個國際專家來觀摩。將來在建成的商用核電廠上，也能夠做這樣的實驗。

　　3 掌握核心技術(shù)，走在世界前沿

　　我們這一代中國人真的沒有想到過會走到世界的巔峰。我們現(xiàn)在整天喊建設世界一流大學，還是沒有自信的表現(xiàn)。當我們扎根于中國這塊大地，踏踏實實地去幫助解決13億人過上小康生活所面臨的問題和挑戰(zhàn)，保持中國第一的水平。當這個國家成功時，我們就肯定是世界一流了。那個時候哈佛MIT都要來學習我們。

　　過去十年我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)建設世界首臺四代核電的商業(yè)示范電站費盡心機。有一些技術(shù)的決策是非常艱難的，因為前面已經(jīng)沒人了。這些決策有的大概要花超過半年時間，期間非常非常痛苦，稍有不慎就會導致幾十億的項目失敗，真的到了茶飯不思的狀況。現(xiàn)在主要關鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決，我們非常高興的是，這些一個個的決策走到現(xiàn)在證明是正確的。清華大學牽頭建成的這個電站，真的不是一般的成果能比的。這個項目花了幾十億。國家得到的，不僅僅是一核電站，而且會是一個有全球競爭力的產(chǎn)業(yè)。

　　我們國家的產(chǎn)業(yè)走到今天，已經(jīng)必須依靠科技創(chuàng)新在競爭力上走到世界的前列。我們下面要做的事，就是聯(lián)合工業(yè)界的伙伴，打造中國高端核電站的產(chǎn)業(yè)鏈。它會是世界領先的4代核電技術(shù)，也會是利用互聯(lián)網(wǎng)+的技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)4.0。現(xiàn)在總理正跟國外推一個高鐵，一個核電。但是傳統(tǒng)的核電，世界上好多國家都可以來競爭，所以中國人要賣就得賣得比人家便宜。而高溫氣冷堆技術(shù)，我們的技術(shù)是領先的，擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)。有一個瑞士電力公司的老板就跟我說，他特別害怕我把這個四代核電賣便宜了，他說好東西一定要賣好價錢。我覺得他是對的，這就是我們下一步要做的事。

　　在座同學可能有物理系的，有機械系的，有學材料的，有搞控制的，其實在這里頭都能找到你們的用武之地。我們最重要的一個設備就是反應堆的壓力容器，700噸。當年南非想做這個，結(jié)果這個國家怎么集全國之力也搞不出來，他們想從日本買反應堆壓力容器，日本人說那個大鍛件訂單太多了，生產(chǎn)不出來。所以南非的反應堆設計是另外一個形狀，比較怪。反應堆的容器是一個核心技術(shù)，當年美國人會做，后來不做了，認為是夕陽工業(yè)，主要一流大學的人才都跑到華爾街去了。這些東西轉(zhuǎn)到日本、韓國，現(xiàn)在也轉(zhuǎn)到中國。08年金融危機之后奧巴馬發(fā)覺不行了，要重新工業(yè)化，學會造壓力容器。因為當他們的新一代人只會搞華爾街不會造之后，這個工業(yè)就不會是夕陽工業(yè)了。奧巴馬倒要歪著腦袋想想，如果這個樣子下去的話，他們將來坦克的炮塔從哪里來，航母從哪里來？

　　這樣高端的制造業(yè)現(xiàn)在很少國家能干得起。在我們國家上海的臨港基地，就有這么一個國際先進水平的制造基地。高溫氣冷堆一個400噸的大鍛件，用三個鋼包同時澆注，然后用萬噸水壓機來砸，砸完后的金屬非常致密，強度是很好的。400噸的鍛件，就愣是那么砸，然后很費勁地摳出來，再進行熱處理。這種能力全世界不會超過2-3家，我們中國人搞出來了。我們的目標，是不僅能造出這樣的設備，貼上我們的招牌，而且賣出一個好價錢。

　　我們還有另一個核心的技術(shù)，是核電站的心臟-主氦風機,也就是傳統(tǒng)核電中的主泵。我們國家一直在心臟動力技術(shù)上有短板。這個心臟要求24小時運轉(zhuǎn)。高溫氣冷堆的心臟不是核安全相關的產(chǎn)品，它如果停轉(zhuǎn)了，也不會有核安全方面的后果，這是我們前面所說固有安全的結(jié)果。但是，心臟停轉(zhuǎn)，核電站就無法繼續(xù)發(fā)電，掙不了錢。這種大型高速轉(zhuǎn)動機械的核心技術(shù)是軸承。傳統(tǒng)的機械軸承是非常精密的機械，是手工試出來的，我們國家還有差距。我們走了另一條路，利用最近30年在人類在信息技術(shù)上的革命去改進傳統(tǒng)精密機械工業(yè)，也就是采用計算機控制的電磁軸承。就像采用磁懸浮技術(shù)的高速鐵路一樣，大約10噸重的轉(zhuǎn)子是用磁力托起來。這個技術(shù)我們清華人利用跨學科交叉把它做起來了。來自力學系、機械系、工物系等好多專業(yè)的十多個優(yōu)秀畢業(yè)生組成的團隊，愣是把這個10噸重的轉(zhuǎn)子用磁懸浮把它給立起來，在上海已經(jīng)完成了整機100小時和500小時的連續(xù)運行考驗。這樣大力度的交叉，我們得益于清華大學整體的科研實力，是清華核研院相比于很多世界上的研究院所具有的體制性優(yōu)勢。

　　4 感悟與總結(jié)

　　在大學里能參加這樣的事業(yè)的人也不是太多，作為清華的老師，我很愿意通過這個講座跟同學們分享一些感悟，也許對大家的成長有些啟發(fā)。這是2004年美國一個很有名的雜志寫的關于清華核研院故事的文章。那里頭說，“在那個遙遠的地方，科學家們正在以他們相對微薄的力量開發(fā)一種更好的反應堆”。

　　早在上世紀50年代末，清華大學和教育部的領導就作出了一個很重要的決策，在北京昌平建設了清華200號基地，集合了各院系幾百名優(yōu)秀的學生，平均年齡是23歲半，建設一座試驗核反應堆。他們的領頭人也是一個年輕人，30多歲的呂應中教授，核能研究所的第一個所長，開創(chuàng)了清華200號的事業(yè)。核反應堆1964年建成，這是中國當時教育界的一件大事。文化大革命中，清華200號基地完成了中國提煉原子彈材料的關鍵技術(shù)，為兩彈做出了貢獻。在上世紀8-90年代，王大中院士帶領核研院建成了5MW低溫核供熱反應堆，在我國首次實現(xiàn)了一體化壓水反應堆技術(shù)。他同時爭取了國家“863”計劃的支持，開始啟動建設10MW高溫氣冷實驗堆項目。后來王大中老師在清華當了10年校長，對清華做出很大貢獻。1994年到2001年，在吳宗鑫老師擔任核研院院長期間建成了10MW高溫氣冷實驗堆。

　　我2001年開始擔任院長，當時還不到40歲。從那個時候到現(xiàn)在，一步一步，嘔心瀝血。回顧這個過程，我感覺到傳承的力量。這個工作是兩代幾百上千號人一生的努力。

　　我們真的是有點不知不覺的就來到世界巔峰。清華即將率先實現(xiàn)三哩島事故以來世界許多核能研究機構(gòu)和科學家夢寐以求的、屢遭挫折的重大創(chuàng)新。我們很多核心關鍵的技術(shù)已經(jīng)突破。能夠走到今天，我們是很幸運的。

　　首先我們是得益于中國的發(fā)展。20年前我們做這些事的時候還沒想到現(xiàn)在這種結(jié)果。我們國家在自主創(chuàng)新上已經(jīng)能夠提供甚至美國人都羨慕的國家支持條件。另外一個得益于我們的高端制造業(yè)。10年前上海電氣正在規(guī)劃新的基地和廠房，當時新建廠房的尺度，就是按照能夠生產(chǎn)高溫氣冷堆主要設備的能力來設計的，這對于一般的國家根本不可想象。同學們，將來你們的發(fā)展肯定跟中國的發(fā)展很有關系，中國的發(fā)展將會為大家提供很多世界上別人所沒有的機會。

　　其次是清華有一個200號。有這樣一個大的載體，又能夠從清華各系挑一些很優(yōu)秀的博士。這些年輕的博士穿上工作服跟工人一塊動手，就能夠搞出高水平的核電設備。清華的學生不能光在數(shù)學模型上很厲害。真正的厲害的不是數(shù)學模型，數(shù)學模型你會做，人家也會做，所以我們的清華的學生應當能自己動手。

　　第三就是瞄準世界前沿埋頭苦干。我們不能整天跟在人家后頭，要抓住世界最前沿的東西。這件東西很難，怎么辦呢？要知難而進，只有難的東西才能發(fā)揮你的才智，才能干一番英雄的事業(yè)。最后還有一個要眾志成城。你們將來可能很多人要當領軍人物，要給大家要挑一個好的方向，還要有一個好的戰(zhàn)略，但最后還要靠大家來干，不是你自己能干成的。這個時候就需要你的人格力量，而不光是你的聰明。不能算計自己的利益，否則別人很難跟隨你。你要把大家團結(jié)起來，來共同奮斗。所以要眾志成城。

　　跟同學分享這三個體會：一是中國的發(fā)展，給同學們提供了一個比我們當年更好的機會；二是要有一個好的平臺；三就是要有眼光，而且要有能力，去引領一批人來做這件事。

　　好，我今天就講到這里，謝謝大家。

　　精彩語錄

　　1.人類文明需要能源，但是有能源就必定要直面并努力去降低污染。

　　2.核安全問題是人類面臨的一個重大問題。如果原子能能把安全問題解決了，那么PM2.5問題也就比較容易解決了。所以核安全的難題是世紀性的難題。

　　3，我們求解的結(jié)果，就是大約在每個反應堆熱功率是25萬千瓦，轉(zhuǎn)換成發(fā)電功率是10萬千瓦的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)這個目標。全世界目前唯一能夠按照這個機理實現(xiàn)的反應堆，并且做到跟商業(yè)化推廣同等大小的反應堆，我們是頭一個。這就是實現(xiàn)我們夢想的核心理念。

　　4.當我們扎根于中國這塊大地，踏踏實實地去幫助解決13億人過上小康生活所面臨的問題和挑戰(zhàn)，保持中國第一的水平。當這個國家成功時，我們就肯定是世界一流了。那個時候哈佛MIT都要來學習我們。

　　5. 好東西一定要賣好價錢

　　6.在座同學可能有物理系的，有機械系的，有學材料的，有搞控制的，其實在這里頭都能找到你們的用武之地。

　　7.我們真的是有點不知不覺的就來到世界巔峰。清華即將率先實現(xiàn)三哩島事故以來世界許多核能研究機構(gòu)和科學家夢寐以求的、屢遭挫折的重大創(chuàng)新。

　　8.這件東西很難，怎么辦呢？要知難而進，只有難的東西才能發(fā)揮你的才智，才能干一番英雄的事業(yè)。

　　9.真正的厲害的不是數(shù)學模型，數(shù)學模型你會做，人家也會做，所以我們的清華的學生應當能自己動手。

　　推薦閱讀

　　《核能：無窮的能源》