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矢志创新,助力核能安全发展 ——访中山大学中法核工程与技术学院副教授周文忠博士
日期:2019-07-12 10:05:59    来源:

   一直以来,核能以其清洁、丰富、可持续性、能大规模应用、环境可接受性好等特点,成为了人类梦寐以求的能源形式。随着社会的发展,更有科学家提出了在未来20年里,核能势必将成为一种最有发展前景的新能源的论断。

然而,在普罗大众印象中,核能及核事业却“只可远观”,尤其是2012年日本“3·11福岛核事故”后,人们对核安全更为关注。“其实,我们国家在核能发展方面,始终都是将安全放在第一位的。”周文忠直言,“我的科研方向和重点也是围绕核反应堆的安全问题展开的。”十多年来,周文忠紧跟国家核能发展基本策略,立足本土需求,积极与国际接轨,致力于事故容错燃料和核能热工水力方向的基础研究和应用研发,研究成果获得了国际国内相关领域的广泛认可,为人类核能研究及事业的发展做出了重要贡献。

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孜孜以求,做更有意义的事

大学时期的周文忠,并没有刻意想过自己今后要从事核能安全方面的工作。

1996年、2002年,周文忠分别获得了天津大学的学士和硕士学位,随后便进入企业担任机械工程师。然而在实际工作中,他接触到了专业以外更多的知识。这让喜欢新鲜事物,喜欢挑战的周文忠燃起了继续学习深造的斗志。

2005年3月,周文忠辞去企业工作,全身心地投入到了学习中,且这次是在美国普渡大学跨专业攻读核能工程博士学位,博士研究课题是美国能源部经费支持的反应堆被动式安全壳冷却系统研究。期间,作为研究助理,他还有幸参与了一项加拿大铍业公司经费支持的UO2-BeO事故容错核燃料方面的研究课题,这也是世界上较早的事故容错燃料研究之一。“正是参与这个研究课题,使我受益匪浅,不仅大大拓展了我的科研及学术领域和视野,也为我后来在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室工作打下了基础。”周文忠表示。

2010年12月,周文忠获得普渡大学核能工程博士学位。随即便到了拥有国际最顶尖的核能研究团队之一的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,从事美国能源部支持的锕系元素燃料的建模与分析,以及该燃料的性质和性能研究。在此期间,他以研究员的身份先后参与了两个重要科研项目的研究。然而,工作不到2年时间,周文忠却选择回国发展。

洛斯阿拉莫斯实验室作为美国国家层面的武器类实验室,有些项目外国人是很难参与到核心技术的研究的。同样,我也认为相同的技术和研究在祖国做出成绩来,更有意义。”周文忠说。

回国前期,恰逢香港城市大学投来橄榄枝,加之自己对当大学老师也很感兴趣,回国后周文忠便入职香港城市大学做事故容错燃料,多物理场完全耦合核燃料与包壳材料性能分析,多相流及热传递,核能热工水力,严重事故及反应堆安全方面的科研及教学。

为更好地从事学术及科研工作,更加便捷地服务于国家需求,今年1月,在中山大学的邀请下,周文忠带着更大的热忱和诸多学术及科研成果赴任中山大学中法核工程与技术学院副教授一职,继续从事事故容错燃料和核能热工水力等方向的科研及教学工作。

 

做引领性研究,筑牢安全防线

十多年来,周文忠的学术及科研都是围绕核反应堆安全问题展开的。他表示,安全无疑是现有核能反应堆运行和未来核能事业发展中最重要的问题之一。

基于在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室了解、积累到的国际最前沿最顶尖的科研技术,周文忠在香港城市大学6年的系统科研工作中,主持或参与了包括香港特别行政区政府资助项目,中国-欧盟合作项目,国家自然科学基金,深圳科创局和香港城市大学资助项目等在内的多个项目,尤其针对事故容错燃料、核能热工水力、严重事故及反应堆安全做了大量的基础研究和应用研发,并取得丰硕的学术及科研成果,意义重大。

在事故容错燃料研究方面。对包括UO2-BeOUO2-SiCU3Si2等在内的多个燃料材料,SiC和FeCrAl包壳材料,以及采用涂层的包壳材料设计和新型sandwich芯块设计进行了广泛深入的研究。并通过以上研究初步建立了事故容错燃料数据库,为进一步研究和工业化应用奠定了扎实的基础。其中部分关于事故容错燃料的成果被Igor L. Pioro 教授主编的《第四代核反应堆手册》所引用。

事故容错燃料堆应用理论体系方面。创新性地建立了事故容错燃料应用于轻水堆和钠冷快堆的理论体系,并开发了名为CAMPUS的轻水反应堆的燃料性能软件。周文忠介绍说,辐射下燃料行为的预测涉及非常复杂的材料行为,这在任何其他工程学科中都是不常见的,而CAMPUS软件则完全耦合了所涉及的各种物理场。他的关于核燃料多物理场建模和模拟方法的研究成果也被Andreoni W.教授 (EPFL)和Yip S.教授 (MIT)在主编《材料建模手册》时所引用。

严重事故管理方面。周文忠及团队在国际项目ALISA (欧盟和中国的项目)的支持下进行了一项原型UO2燃料熔融物和冷却剂相互作用并产生蒸汽爆炸的实验、分析和数值研究的项目。据介绍,该项目的成功实施将对深入理解严重事故原理和加强严重事故管理具有非常积极的意义。

多相流及热传递试验装置建立方面。周文忠带领团队在借助高速摄影系统的基础上,创新性的应用两相流动粒子图像测速(PIV)系统建立了一个大型实验测试装置来研究沸腾和冷凝的多相流动和传热。周文忠表示,这是核反应堆安全领域研究反应堆应用中的多相流现象的一个新方向,利用该装置可大大加深研究人员在深入了解两相流基本的物理现象和核能热工水力情景,并且对于核反应堆设计优化,安全操作和应急准备也至关重要。

基于上述研究和成果,周文忠累计在核能工程领域发表了39篇期刊文章和48篇会议论文,且大部分为通讯或第一作者;先后受邀进行了2次会议主旨发言以及15次特邀报告,在学术界影响广泛。周文忠还积极参加期刊编辑评审和国际会议组织工作,如担任国际期刊Journal of Power Technologies的副主编和多次担任各种国际会议(例如国际核能工程大会)的主题联合主席和分主题主席。周文忠还是美国能源部科学办公室的基础能源科学评审专家。

“做科研,最终目的是要服务国家发展及战略需求。”周文忠说道。因此,早在香港城市大学工作期间,他就建立了一个活跃而富有成效的研究实验室来开展核电方面的产学研工作。合作对象包括法国原子能和替代能源委员会(CEA)、加拿大核能实验室(CNL)、美国普渡大学、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)、美国爱达荷国家实验室(INL)、日本东北大学、中国广核集团公司(CGN)等等。现在,在中山大学的支持下,周文忠所在团队正在积极与国内相关核电研究机构进行行之有效的合作。

“发展核电事业是我国的基本战略,安全高效发展核电是全面进入清洁能源时代的必然选择。我希望能用自己的所学所长为国家核电事业的发展,筑牢安全防线。”周文忠真切地说道。

作为一名大学老师,周文忠还承担着日常的教学工作。他说,教学和学术是深深交织在一起的,二者不能割裂开来。因此,他常常把科研融入到教学中,并将学生视为有价值的研究人员。据介绍,在过去的几年里,先后有20多名本科生通过毕业论文和校园实习计划参与了或正在参与他的研究工作。这既为研究引来了“源头活水”,又锻炼了学生的实践能力。同时,他指导过的一名博士生在“珠江人才计划”下以青年教师的身份加入了华南理工大学核能工程项目;指导的一名博士后出站后也顺利就职临沂大学,成为该校临沂大学物理与电子工程学院的一位青年教师。

初心不改,未来可期。据了解,经过30余年的砥砺发展,中国核电技术已然凭借自主创新和全产业链发展,跻身世界第一方阵。对于未来,周文忠表示,“加入中山大学以来,我感觉有更多的事情可以做了。我希望在事故容错燃料和核能热工水力这两大方向上,在之前的经验和基础上,做出更好的成绩,服务于国家和人民的需求。

 



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