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要让世界首座模块式球床高温气冷堆实现氦气循环发电

——记2003年度学术新人奖获得者于溯源教授

●新闻中心记者 周襄楠

   拿到我校核能与新能源技术研究院副院长、博士生导师于溯源教授的简历,令我感到惊讶的第一件事情是:他在工程力学系读本科时,竟然能在当时5年教程的巨大压力下提前毕业,这在要求颇为严格的清华还是比较少见的。

   “我是东北农村的孩子,当时兄弟姐妹一共3个孩子在上大学,为了减轻家庭的负担,凡是能够跟着高年级上课的课程我就挤时间上,上不了的课程就直接找到老师,自修之后要求进行考试。”谈起那段日子,他的语气很平淡。

   现在,从39岁的于溯源身上已经难觅当年东北农村男孩的青涩与腼腆,但是这种韧性与倔强一直伴随他的成长,体现在他科研和工作中的方方面面。

   我校核能与新能源技术研究院研制的10兆瓦高温气冷堆是全世界第一座模块式球床高温气冷堆,在2000年12月成功临界之后,有关高温气冷堆的科学研究一直没有停止。用什么方式能够实现高效的发电?经过反复的研究和比较,核研院的科研人员决定采用在理论上已经被证明但在工程上还没有真正采用的发电方式——用温度可以达到一千多度的反应堆回路氦气作为工质直接推动氦气透平发电,能够大大提高核发电的效率。

   用氦气作为工质直接推动氦气透平发电这一概念,国际上早在半个世纪前就有人提出,但是迄今为止世界上还没有哪一家在实际中采用,所以在工程中要采用,不仅需要一个将理论付诸实践检验、完善的过程,而且在工程应用中还会碰到很多以前没有料想到的实际问题需要解决,难度可想而知。

   2001年3月开始,于溯源接手核研院副院长,主管这项国家“十五”863高技术研究发展计划后续能源技术领域中的重点项目——“高温气冷堆氦气透平发电系统”。他带领科研人员在这个项目的氦气透平压气机、电磁轴承、高频电机、紧凑高效换热器等多个方面开展了世界前沿的研究。

   电磁轴承是10兆瓦高温气冷堆氦气直接透平循环发电的关键技术之一,所支承透平发电转子为弹性转子,从启动到工作转速需要越过弯曲临界转速。所以电磁轴的成败决定整个项目的成败。这就需要在结构设计、转子动力学、控制理论、电子技术等多方面的综合探索研究,而国内外均无经验可以借鉴。于溯源带领的科研攻关组在国内首次实现了电磁轴承弹性转子跨越弯曲临界转速,而且可以在临界频率处停留运行而保持系统稳定。电磁轴承的这一研究成果通过了以瑞士联邦工学院的国际著名磁轴承专家G. Schweitzer教授与国内磁轴承和机电领域的知名专家组成的评审组的评审。评审专家一致认为,该设计方案和实验结果能够直接用于十兆瓦高温气冷堆的磁轴承设计,这将形成具有自主知识产权的高温气冷堆氦气透平直接循环发电动力转换系统和磁轴承集成的先进技术。

   高温气冷堆结构石墨具有粘弹性本构关系,材料机械特性不仅随温度非线性变化,而且还随辐照中子通量非线性变化,是核反应堆结构力学分析的重要难点。于溯源带领同事们采用经典应力分析法和概率应力分析法对其进行了深入的研究,较好地揭示了石墨应力行为,为反应堆安全运行提供科学可靠的保障。该方法直接被国际同行专家所采用;另外,石墨的摩擦、磨损、氧化和颗粒化行为是高温气冷堆特有的性质。于溯源指导学生进行了大量的实验和理论研究,在国际上率先研究了石墨的这一特殊规律,对反应堆设计、运行、维护和安全分析等提供重要指导。

   功夫不负有心人。经过三年多的技术攻关,围绕“高温气冷堆氦气透平发电系统”,他们已经获得主动磁悬浮轴承辅助轴承装置等多项国家发明专利。他在此期间先后在国内外知名科技期刊和重大国际学术会议上发表论文近百篇,其中14篇文章被SCI收录,24篇文章被EI收录。

   他在高温气冷堆方面的研究也获得了国内外学术组织的认可。于溯源现任国际反应堆结构力学学会主席,第18届国际反应堆结构力学会议(SMiRT-18)主席,全国反应堆结构力学专业委员会副主任委员,北京市核学会副理事长,全国新堆与研究堆专业委员会主任委员,中国动力工程学会核电专业委员会理事,组织学术交流也就成为他在繁忙的科研之外的另外一部分工作。值得一提的是,国际反应堆结构力学学会是核工程领域规模较大、水平较高、历史最为悠久的学术组织,在国内外学术、科研和工程等领域有着非常广泛的影响。于溯源当选为“国际反应堆结构力学学会”主席,这是中国人第一次担任这一职务。

   尽管在“高温气冷堆氦气透平发电系统”方面成果颇丰,于溯源还是笑谈自己是一个“杂家”,除了这块研究之外,他的研究领域跨度非常大。

   他的硕士毕业论文是做有关海浪的流体力学的研究,建立了用于西北太平洋地区海浪预报的第二代模型,预报结果同测量结果相比,具有较高的准确。博士是在美国戴维斯加州大学机械系攻读的,在国际著名燃料学专家Ian M. Kennedy教授指导下对有害固体废物的净化处理进行研究,创立了二维DSM颗粒动力学模型和铬(chromium)的高温反应动力学模型,运用激光散射技术对较为复杂的颗粒进行了精确测量,深得同行好评。1998年10月至1999年9月,在美国耶鲁大学化工系做博士后期间,与美国杜邦公司(DuPont)合作,主要从事高温化学反应动力学和纳米材料颗粒成长机制等方面的研究。一年中,他完成了实验室条件下利用逆流火焰方法进行Al2O3颗粒的制备,并在回国之后于继续运用Monte-Carlo方法研究纳米颗粒成长机制,得到了非圆纳米颗粒在Free Molecular区的成长规律,为颗粒学的发展作出了贡献。他发表的一篇有关该领域的论文得到了SCI的15次引用。

   对此他的解释是:“尽管看上去跨度很大,但是这些工作都是以我的流体力学为学科背景的,其间关联度很强。”

   不过于溯源言谈中说得最多的还是高温气冷堆的种种:

   “高温堆里面有很多东西在世界上都是第一次。我们在研究中经常发现一些新颖的东西,一些新的概念,这些都需要我们去探索,能够承担这样前沿课题我感到非常的荣幸。”

   “我们现在仅仅是停留在初步设计阶段,我们下面要做的是施工设计,还有很长的路要走,这是一个系统工程。”

   “这种发电方式如果一旦变成现实,完全可以应用到工业上,可以大大降低发电成本、提高核反应堆的经济性。”

   “我的作用可能是相对重要一点的,但是取得的成果绝对不是我个人的,无论什么成果都是集体的成果,这就是核研院的特点。”

(编辑 王玉杰)

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2004-09-27]
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