清華大學110周年校慶暨核研院60周年院慶專刊

　　2021年，清華大學迎來110周年華誕。清華大學秉持自強不息、厚德載物的校訓，堅持“頂天、 立地、 樹人”的宗旨，開創了中西融匯、古今貫通、文理滲透的辦學風格，不斷深化教育教學改革創新，為中國乃至世界培養了一大批優秀人才，在社會主義現代化的各項事業中作出了巨大貢獻。

　　與此同時，清華大學核能與新能源技術研究院(簡稱“核研院”)也在2020年迎來60周年院慶。核研院自誕生之日起就為國而生，為國而長。60年來，以“兩彈”精神為鼓舞， 數十年如一日沉潛砥礪，不慕虛名，踏實前行。在黨和國家的領導下，一代代核研院人牢記“建堆報國，建堆育人”的初心使命，攻堅克難，瞄準國家重大戰略需求，堅持核心技術自主創新，取得了一批國內首創、世界先進的重大科技創新成果，并為國家核能發展事業培養了大批學術型人才及工程領軍人才。

　　核研院以核為主要研究特色，聚焦核能科學與工程、核燃料循環與材料、核環境、能源系統分析與氣候變化、新能源等領域，覆蓋反應堆物理、熱工、機械、電氣、控制、材料等諸多學科，是跨學科戰略性高技術研究院。核研院堅持攻關高溫氣冷堆示范工程關鍵技術，如主氦風機的研制、基于TRISO顆粒的球形燃料元件生產技術、關鍵設備的自主創新等，并推進世界首座具有第四代核能系統特征的模塊式高溫氣冷堆示范電站HTR-PM的建成；發展滿足小功率用戶需求的小型核反應堆，其中自主研發的一體化自然循環低溫供熱堆技術NHR200-II已卓有成效；進行核安全評審，對核電及各種發電技術進行環境影響綜合評價，為電力行業低碳轉型提供技術支撐；發展海水提鈾、核能制氫和氫儲能技術等。

　　“水木清華百十年，建堆報國任擔肩，李桃并放雖云盛，只照丹心更向前！”。2021年，為迎接清華大學建校110周年校慶，在《清華大學學報（自然科學版）》編輯部的大力支持下，核研院精心組織本專刊，專刊組稿也得到了廣大師生的積極響應。本期專刊精選11篇綜述和論文，有代表性地報道展示清華大學核研院在技術創新、產業化領域取得的最新重要研究進展。借此機會，祝清華大學及核研院在新的歷史時期能取得更輝煌的成就！詳細內容請閱讀《清華大學學報（自然科學版）》2021年第4期“清華大學核能與新能源研究院60周年專刊”， 識別下文二維碼或點擊http://jst.tsinghuajournals.com/CN/volumn/volumn_4292.shtml即可瀏覽全文。

　　綜述

　　01高溫氣冷堆關鍵材料技術發展戰略

　　史力，趙加清，劉兵，李曉偉，雒曉衛，張征明，張平，孫立斌，吳莘馨

　　在我國核電技術自主化發展過程中，堆本體、燃料組件和蒸發器等主要設備的關鍵材料自主化是一個重要的基礎問題。對于高溫氣冷堆(high temperature gas-cooled eactor, HTGR)，這些關鍵材料主要涵蓋核燃料、高溫金屬、核石墨、壓力容器材料、高溫氣冷堆制氫相關材料等。受國內材料研發和制造水平所限，高溫氣冷堆部分關鍵材料仍采用國外進口材料。該文針對我國高溫氣冷堆核能技術所需的關鍵材料技術開展戰略研究，研究關鍵材料的內容和范圍、制造產業鏈、表征和應用等，提出對高溫堆技術發展具有支撐性作用的關鍵材料體系及其工程化技術，并給出技術發展規劃和建議。

　　02海水提鈾材料研究進展

　　劉澤宇，謝憶，王一凡，胡銅洋，葉鋼，陳靖

　　鈾資源是核工業發展中不可或缺的重要戰略資源，發展海水提鈾對于保障核能可持續發展和推進海洋資源綜合利用具有重要戰略意義。實現海水提鈾的工程化從根本上依賴于對海水中碳酸鈾酰離子具有高效富集能力且綜合性能優良的吸附材料。作為海水提鈾的明星材料，偕胺肟功能化聚合物因其對鈾特殊的親和力，一直受到國際國內廣泛的關注。近年來，結合電化學、光化學和生物化學等交叉領域的研究進展，高吸附容量、高選擇性的海水提鈾材料也不斷涌現。該文立足海水提鈾材料的設計思路和合成策略，介紹了近年來國內外海水提鈾材料的研究進展，闡明了目前海水提鈾面臨的關鍵問題和挑戰，分析了海水提鈾工程化的經濟性，并對未來發展研究方向進行了展望。

　　03能源互聯網推動下的氫能發展

　　曹軍文，鄭云，張文強，于波

　　隨著當前以化石燃料為主的能源體系資源消耗和環境污染問題日益嚴重，能源結構轉型已經成為世界能源體系發展的重要趨勢。能源互聯網是以信息傳遞為基礎，以可再生能源和核能為主要一次能源供體，以電能為核心，以儲能技術為媒介的新型能源體系，具有智能化、清潔化、操作靈活化等優點，是未來能源結構發展的理想形式。氫能具有熱值高、無污染、可再生、長周期儲存和遠距離運輸等優點，能夠實現“可再生能源-電能-氫能”的多樣化轉換，可作為能量儲存、傳遞和轉換媒介在能源互聯網構建中發揮重要作用。該文從能源互聯網的概念出發，闡述了氫能在能源互聯網中的重要地位，并結合清華大學核能與新能源技術研究院(簡稱核研院)在核能制氫方面的研究成果，綜述了氫能和氫儲能技術在能源互聯網體系下的關鍵技術的發展現狀，并對氫儲能技術的未來發展做出展望。

　　04先進核燃料循環中基于二硫代次膦酸配體的三價鑭錒分離研究：從基礎化學到流程開發

　　嚴強，徐超，陳靖

　　三價鑭系與錒系離子具有極其接近的電荷密度、離子半徑和物理化學性質，它們的分離是先進核燃料循環領域的關鍵挑戰之一，同時也是世界性的難題。該文綜述了20多年來二硫代次膦酸配體在三價鑭錒離子分離方面的研究和應用進展，其中重點介紹了清華大學在該領域的研究工作。最后，對未來的研究方向進行了展望。

　　05小型一體化全功率自然循環壓水堆NHR200-II技術特點及熱力市場應用分析

　　郝文濤，張亞軍，楊星團，郭文利

　　在減少溫室氣體排放、緩解空氣污染的需求背景下，減少化石能源消耗、增加核能在一次能源消耗中的占比，已成為科技界和產業界的共識。清華大學聚焦居民供熱、工業蒸汽、海水淡化等需求，同時兼顧偏遠地區發電需要，自主研發了能夠產生1.6MPa飽和蒸汽的小型模塊化壓水堆NHR200-II。該堆采用一體化布置、全功率自然循環、自穩壓、非能動安全的設計理念，設有中間隔離回路，可實際消除大規模放射性釋放、技術上無需采取場外應急措施，可貼近城市周邊和最終用戶建設；同時，系統設計簡化、運行操縱簡單、放射性廢物量少，保障了該技術具有經濟競爭力。經過試驗堆建設和30余年的持續攻關，該技術已具備示范應用條件。

　　06高溫氣冷堆示范工程螺旋管式直流蒸汽發生器工程驗證試驗

　　李曉偉，吳莘馨，張作義，趙加清，雒曉衛

　　研發一種新型蒸汽發生器必須進行一定規模的工程驗證試驗。清華大學核能與新能源技術研究院在其實驗基地建設了高溫氣冷堆示范工程(HTR-PM)螺旋管式直流蒸汽發生器的工程驗證試驗回路(engineering test facility for steam generator, ETF-SG)。工程驗證試驗回路能夠模擬HTR-PM運行參數，可對HTR-PM蒸汽發生器一個換熱組件進行1∶1的工程驗證試驗。回路設計熱功率10MW，氦回路設計壓力8MPa，最高設計溫度800℃，二回路設計壓力18MPa，最高設計溫度600℃。在工程驗證試驗回路上針對高溫氣冷堆蒸汽發生器完成了幾十項熱工水力試驗，對蒸汽發生器的溫度均勻性、堵管后溫度分布及其溫度展平調節、熱工水力瞬態特性、兩相流不穩定性等進行了試驗研究，驗證了HTR-PM螺旋管式直流蒸汽發生器的熱工水力和結構設計，并為其調試、運行、低功率及啟停工況參數的確定提供了重要數據和參考。

　　07一體化水堆內置式控制棒水壓驅動技術研究

　　薄涵亮，王大中，張作義，姜勝耀，張亞軍，秦本科，趙陳儒，劉潛峰，王金海

　　安全性和經濟性滿足較小功率用戶需求的小型核反應堆為近年來的研究熱點，一體化布置水冷反應堆為小型核反應堆的主要堆型之一。核反應堆控制棒驅動機構是反應堆最關鍵的安全設備，擔負著反應堆的啟動、功率調節及停堆等重要功能。該文給出一種應用于一體化布置水冷反應堆的內置式控制棒水壓驅動技術，包括功率小于50MW的A型和熱功率50~300MW的B型2種整體設計方案、部件組成、主要功能和性能等工程研究和應用。為一體化水堆提供了完整的內置式控制棒驅動線，包括其部件組成、聯接結構、固定方式和功能；降低了反應堆高度；避免了彈棒事故，增強了反應堆安全性；使一體化布置反應堆更加緊湊、體積小、自然循環能力加強。

　　08高溫氣冷堆氦氣透平壓氣機和主氦風機研究進展

　　王捷，王宏，趙鋼，楊小勇，葉萍，曲新鶴

　　具有固有安全特性的模塊式高溫氣冷堆(high temperature gas-cooled reactor, HTGR)具有反應堆出口溫度高的特點，可與閉式Brayton循環或Rankine循環耦合，實現高效率的發電。氦氣透平壓氣機和主氦風機分別是與這2種循環耦合的高溫氣冷堆系統中的關鍵動力部件，該文針對氦氣閉式Brayton循環，分別從穩態與動態特性2個方面揭示其內部循環機理；同時針對循環內核心部件氦氣透平壓氣機，開展2.2MW樣機研制與120MW商用氦氣透平壓氣機設計。在主氦風機研制方面，順利完成了10MW高溫氣冷堆(HTR-10)主氦風機研制與高溫氣冷堆示范電站(HTR-PM)主氦風機研制，獲得了主氦風機完整的性能數據。為進一步確保HTR-PM項目的順利推進，搭建了主氦風機綜合試驗平臺，同時測試了2種主氦風機(電磁軸承主氦風機和干氣密封主氦風機)的性能。取得的研究成果體現了清華大學核能與新能源技術研究院在自主研發先進核能核心裝備技術上取得了重大突破。

　　09流化床-化學氣相沉積法制備金屬涂層包覆燃料顆粒

　　楊旭，程心雨，劉榮正，劉兵，邵友林，劉馬林

　　含有Nb、Zr、W等金屬包覆層的包覆型燃料顆粒是一種新型的燃料元件形式，在核工業中有重要應用。該文利用流化床化學氣相沉積(FB-CVD)法，制備得到了含有金屬包覆層的新型包覆顆粒，研究了熱態輸運與冷態輸運2種方式對金屬鹵化物前驅體的載帶，最終成功制備得到了純相金屬Nb與金屬Zr包覆層。實驗結果表明，金屬包覆層可有效提升包覆顆粒整體的力學性能。該文還研究了沉積溫度、前驅體輸運、包覆層氧化等不同因素對沉積速率的影響。結果表明: CVD制備的金屬包覆層可有效提升包覆顆粒整體的壓碎強度，但抗氧化性較差，不適用于直接在氧化環境下制備與使用，可作為包覆顆粒的中間涂層。

　　10基于螺旋CT的高溫氣冷堆石墨構件及碳磚缺陷檢測方法

　　劉仁杰，孫躍文，劉錫明，苗積臣，周立業，叢鵬

　　石墨構件和碳磚是構成高溫氣冷堆(high temperature gas-cooled reactor，HTGR)堆芯及反射層的重要材料，在其生產運輸過程中，不可避免會出現缺陷，當使用了有較為嚴重的缺陷的石墨構件或碳磚進行建設時，將對反應堆造成重大安全隱患。目前傳統檢測方法主要是基于目視的表面檢查，無法檢測其內部缺陷。該文提出了一種基于螺旋CT的石墨構件及碳磚檢測方案，并采用數值模擬的方式，對大尺寸碳磚模體進行了螺旋CT重建，研究了不同螺距、旋轉速度及不同重建算法對重建圖像質量的影響。結果表明，螺距對重建圖像質量影響較大，在螺距為0.8時可基本滿足檢測需求；旋轉速度對圖像質量影響相對較小；在較優參數下，采用CGLS重建算法，最小可檢測至Φ2mm的孔缺陷和寬1mm的縫缺陷。該研究結果對螺旋CT石墨碳磚檢測系統及檢測方案的設計具有重要參考意義。

　　11中國核電和其他電力技術環境影響綜合評價

　　王彥哲，周勝，王宇，秦旭映，陳福冰，歐訓民

　　核電是清潔的低碳能源，是實現我國2060年“碳中和”目標的重要技術選擇，其放射性排放也是公眾關注的焦點。該文通過構建統一的評價邊界，采用生命周期評價(life cycle assessment，LCA)方法，分環節定量測算了核電與其他發電技術的單位發電量二氧化碳排放；并基于文獻調研，分析和估算了單位發電量的大氣污染物(SO2、NOx和PM2.5)和放射性排放；最后對不同發電方式的二氧化碳、大氣污染物和放射性排放的環境影響進行綜合評價。研究表明，核電和可再生能源發電可以使單位發電量碳排放降低90%以上，并大幅度減少大氣污染物排放，而核電對公眾的放射性影響與煤電相當，或低于煤電。因此，應大力加強核電的公眾可接受性的科普教育，制定持續穩定的核能中長期發展戰略，推動電力系統清潔低碳轉型。

　　《清華大學學報（自然科學版）》由教育部主管，清華大學主辦，立足清華，開放辦刊，已被國際性文獻檢索機構EI、CA、MR、INSPEC、ZBL等和國內全國性文獻檢索機構中文核心期刊要目總覽、CSCD、CNKI等收錄，投稿網址：http://jst.tsinghuajournals.com/CN/1000-0054/home.shtml。