鼓励前行铺就中国自立核能软件酷炫之路,中夏

2019-09-26 作者: 科研成果   |   浏览(55)

砥砺前行铺就中国自主核能软件璀璨之路 ——中科院核能安全技术研究所研发超级蒙卡软件纪实

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吴宜灿研究员与科研人员一起研讨。

①吴宜灿研究员与团队成员在讨论技术难点

中新网合肥9月17日电中国科学院核能安全技术研究所17日消息:该所吴宜灿研究员获得欧洲聚变核能创新奖,成为奖项设立以来首位获奖的中国学者,也是首位获此殊荣的亚洲科学家。

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当地时间9月16日,欧洲聚变核能创新奖颁奖典礼在意大利西西里岛贾尔迪尼举行,欧盟委员会能源研究主席PatrickChild为吴宜灿颁奖,以表彰其在核能中子物理前沿领域做出的开创性贡献。

②③ITER 模型及建筑物核辐射剂量分布

在核能系统中,中子被形象地称为“灵魂”,它是产生核热能和引发放射性的源头,切尔诺贝利核事故的发生就是中子导致的链式裂变反应失控造成的。中子的输运行为直接影响着核电站的安全性和经济性,长期以来一直是核能创新研究的关键和首要问题,美欧等主要核大国均投入大量资源开展相关研究。

■本报记者 王超 通讯员 刘晓丽 彭德建

吴宜灿研究员现任中国科学院核能安全技术研究所所长,是世界著名的核能中子物理科学家。自上世纪80年代开始,他就致力于核能中子物理研究,在核能中子输运的基础理论、关键技术和工程应用等方面取得了重要突破。

核工业是高科技战略产业,是国家安全重要基石。要坚持安全发展、创新发展,坚持和平利用核能,全面提升核工业的核心竞争力,续写我国核工业新的辉煌篇章。

他建立了复杂核能系统中子输运理论,攻克了中子输运精准建模与高效求解的世界难题,自主创新研发的中子输运设计与安全评价软件SuperMC打破了国际技术垄断与封锁。目前,SuperMC已经通过了全球规模最大的科技合作项目——国际热核聚变实验堆ITER国际组织以及国际经合组织核能署OECD/NEA认证,实现了中国核能软件首次走出国门,在60多个国家获得规模化应用,并为ITER等国内外30多个大型核工程项目做出了重要贡献,被评价为“代表了近年来国际中子学领域的主要进展”。

——2015年1月,习近平就我国核工业创建60周年作出重要指示。

欧洲聚变核能创新奖(SOFTInnovationPrize)由欧盟常设执行机构——欧盟委员会2014年发起设立,每两年评选一次,旨在全球范围内评选和表彰为聚变领域科技创新做出杰出贡献的科学家。

核能有效利用是当今社会关注的重大问题,各国科学家都在为之拼搏。中子被称作核能系统的“灵魂”,中子学理论与软件是核能系统研发设计的源头和核心,没有它就谈不上核能利用。在中国科学院核能安全技术研究所,吴宜灿研究员带领一群年轻人靠自力更生、合作创新,攀上了这座技术高峰。

1996年,提出研发中国自主化中子学核能软件的设想;

2003年,依托研发软件承担国际热核聚变实验堆中国首个合作项目;

2005年,成为国际上被ITER组织认可的中子学建模软件;

2010年,获中国核能行业协会科学技术奖一等奖、国家能源科技进步奖一等奖;

2016年,软件用户覆盖58个国家,并在全球聚变、裂变等领域30多个大科学工程中获得规模化应用;

……

奇迹,这就是一个个奇迹。这是中科院核能安全技术研究所超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统团队—— 一群平均年龄不到30岁的年轻人的智慧与汗水的结晶。从仅有两三人的小课题组发展为五十余人的研发团队,这群中国核能的追梦人,坚持执着、开拓创新,在多年的埋头苦干中创造了一个个“神话”,铺就了中国自主化核能软件的璀璨之路。

令人揪心的“核电瓶颈”

1999年,美国国会发布《考克斯报告》,攻击中国“窃取”美国中子学软件MCNP等。此后,他们在这一软件上一直对我国实行“封锁”,导致中国数万用户无法合法使用,利用该软件从事的商用行为也被追责。自主核能软件的缺乏,严重制约了我国核电行业的长期发展。

当时,年仅32岁,正在欧洲大型研究中心—德国卡尔斯鲁厄理工学院做访问学者的吴宜灿,经过多年在核能领域的研究以及对国际核能发展形势的思考,敏锐地意识到我国发展先进中子学理论的战略意义和自主化软件的必要性,毅然决然地放弃了在国外的丰厚待遇,回国投身于核反应堆中子学理论研究与软件研发中来。

10年后,发展初期同中国一样以“引进、消化、吸收”国外核电技术为主的韩国,在阿联酋400亿美元核电大单中竞标胜出,这深深刺痛了中国核能人士的神经。中国大型商用核电设计软件主要来自法国等国外的核电公司,据说外方反对中国人利用他们的软件参与竞标“赚钱”,缺乏自主知识产权核电软件是核电无法参与国际市场竞争的重要原因之一。作为中国核电走出国门、长远发展的瓶颈之一,软件自主化迫在眉睫。国内各大核电集团纷纷投入大量人力财力进行研发工作。而此时,吴宜灿研究员带领的团队为这一事业已默默耕耘了十年。

团队创立初期,面临两大难题。

一是科研经费不足,当时这一研究领域方兴未艾,国内对核能软件研究的支持极为有限,不得不“自筹经费、先期投入”,因而处处显得“囊中羞涩”。软件开发对电脑性能要求较高,当时添加一条64兆内存条要两三千元,可就这点钱,团队也非常为难。但是,为了核能软件自主事业,大家一方面尽量节约,少花钱,办好事;另一方面多方挖掘潜力,“东拼西凑”,尽力满足科研要求。在最困难的阶段,负责人吴宜灿研究员一近月底就犯愁,大家的绩效发不出来,不得不“借钱”度日。然而,即便“窘迫”至此,团队的“核能软件梦”始终没有动摇。

二是人少经验不足,成员大都是正在攻读学位的研究生和刚毕业的年轻职工,缺乏对中子学理论研究与程序研发的积累和经验,当时课题组中比较熟悉专业的只有吴宜灿一人。而国际上早期的中子学软件,如美国的MCNP已经有40余年的发展,积累了大量经验,也构建了许多技术壁垒。研发经验不足和关键技术资料缺乏,成为了横亘在团队面前的另一道难题。然而,团队成员没有退缩,在对公开资料进行消化、吸收的基础上持续进行技术攻坚创新。大家在干中学,在学中干。在最初的一段时间,艰难的攻关和缓慢的进展一度成了笼罩在每个成员头上的阴霾。但,谁都没有动摇前进的信心和步伐。

“当你感觉坚持不下去时,其实咬咬牙就挺过去了。”这是吴宜灿经常挂在嘴边的一句话。这句话是为了激励初出茅庐的年轻人,更是他以身作则的真情流露。在团队发展陷入窘境时,他曾身兼数职,既是为技术路线保驾护航的舵手,更是前进道路上的精神导师。他在不断实践中逐步凝练出“不畏艰难、义无反顾、不断追求、提升自我”的“凤凰精神”,鼓励大家迎难而上,在蛰伏中摸索前行。“尽管物质条件上很艰苦,但在精神层面,大家一起奋斗就是一种幸福。”为了赶进度,攻难关,工作到深夜,节假日不休息,已成为家常便饭。

凤凰涅槃,引领理论发展

通过对领域的深入剖析,团队成员们对其中的重点内容和核心问题有了比较深刻的认识,并制定了“集中优势力量逐个击破”的发展战略和相应具体措施,大家紧紧围绕领域瓶颈问题,集中力量优先发展了中子学建模方法。而在之后的研发过程中,又凭借积累的知识和经验,原创性地发展了适应于新型核能系统的一体化中子输运理论方法,并在此理论成果的基础上,进一步研发出了高精度中子输运计算“引擎”及智能化的后处理程序,使得团队工作实现了跨越式创新。

汗水浇灌成功花,辛勤付出结硕果。经过团队成员多年的持续努力和攻坚克难,实现了多个“首创”,引领了中子输运领域的发展。传统的简化规则建模和复杂系统过程孤立的中子输运理论在复杂的新型核能系统中已不再适用。针对这一问题,项目组通过研究发现了系统内非规则分布对宽能谱、强各向异性中子输运的影响规律,进而发展了一体化多过程直接耦合的新型中子输运理论方法。这项创新使得大空间、全过程三维精准核辐射安全设计与评价成为了现实。创新成果促使团队成员在国际学术会议担任主席或联合主席10余次,受邀作主题报告40余次。团队发表的学术论文中,有5篇入选国际基本科学指标数据库十年全球Top1%“高被引论文”榜。

2015年11月,以三位领域内院士为组长的成果鉴定专家组,评价团队取得的成果“SuperMC总体达到国际先进水平。其中,复杂结构问题精准模拟计算能力及速度、用户友好性,达到国际领先水平”。国际热核聚变实验堆中子学首席技术官、国际该领域知名专家Michael Loughlin博士评价团队的工作“代表了近年来中子学领域进展的主要贡献”,并将团队誉为“国际中子学领域的引领性团队”。

“中国智造”SuperMC应用于

2005年,全球规模最大的能源科技合作项目“国际热核实验堆”ITER组织将团队研发的软件选为基准软件,并将它广泛应用于ITER核安全设计分析中,发现了ITER超导核热沉积和辐射生物屏蔽等核辐射安全设计缺陷,被ITER科技委员会列为“重要中子学问题”,多次评选为 ITER亮点成绩。相关成果被ITER官方报告及出版物引用1800余次。此外,团队还受托作为主力建立ITER中子学标准模型。ITER国际组织明确要求:所有使用者发表相关出版物都必须书面致谢中国该项目组。

同时,SuperMC成功应用于“华龙一号”(中国首个自主三代商用核电堆型)的核设计与安全评价中,为解决“华龙一号”核能软件自主化作出了贡献。

团队的工作打破了国外对中国的封锁,助力中国“核电走出去”战略。目前,SuperMC 已在全球58个国家,30余个裂变、聚变等领域国际重大核工程项目中获得广泛应用,成为中国走出国门在全世界获得规模化应用的核能软件。“中国智造”核能软件,已成功走向了世界!

生命不息,创造不止。在一项项重大理论突破的同时,团队正在研制国际领先的强流中子源,为探索和验证新的中子学理论提供实验平台。SuperMC人胸怀“中国核能梦”,将继续在中国核能软件自主化的追梦路上砥砺前行,为“发展先进核能科技,让人类生活更美好”而奋斗!

《中国科学报》 (2016-06-16 第5版 大学周刊)

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