消氢能力提升约16倍！哈工程学子守护中国核电安全！

氢气在安全壳内积聚容易导致核电站爆炸

因此高效的消氢装置对于

提高核电站安全性具有重要意义

近日，哈工程5位本科生设计出

完全拥有自主知识产权的

“基于球形催化颗粒的新型组件式非能动高效氢气复合器”

较现有设备

理想条件下消氢能力最大可提升约16倍

该项目得到“华龙一号”核电站设计与运行单位的全面肯定，在第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中获得国家级一等奖，取得专利、软件著作权、发表论文等7项（篇）。团队成员孙志远、李昊洋、高全燚、曹巍、周雨锋也凭借优异成绩成功保研至清华大学、浙江大学、上海交通大学、西安交通大学等高校。这群哈工程青年立志守护中国核电安全！

大胆设想

用简单结构解决大问题

在《核工程与核技术专业导论》课上，团队成员了解了2011年福岛核事故发生的原因，他们开始思考如何避免因氢气聚集引起爆炸事故的发生。

经过调研，团队成员发现非能动氢气复合器是消除安全壳内氢气的重要手段，能够使氢气在催化剂作用下发生化学反应变成水蒸气，避免安全壳内发生爆炸。而当前国内外常见的非能动氢气复合器存在消氢效率低、体积大的问题，不利于设备布置、安装以及维护。

“能否通过改进非能动氢气复合器的设计，提高它的消氢效率，来保证核电站的安全呢？”项目负责人、核学院2018级本科生孙志远思考着这个问题。

核反应堆堆芯有板状、棒状、球形等元件形状，形状不同会影响元件的性能。团队成员们得到启发，想到通过改变催化板的形状扩大催化剂与氢气的接触面积，提高消氢效率。成员们选择了比表面积大的球形催化颗粒进行设计。从反应堆堆芯插入的燃料棒得到灵感，团队成员确定了多孔圆柱体的中空结构球床通道代替原本的催化板。与一般随机填充球床通道相比，中空结构球床通道的空气流通阻力减少了约90%。这一结构也易于实现、十分稳定。“通常来说，核电站中越复杂的结构面临着越高的安全风险，我们设计的这种结构看起来很简单，但却更安全。”孙志远说。

团队成员在进行相关实验

消氢复合反应过程会剧烈释热，为了防止出现局部过热引起的安全隐患，团队根据氢气流动的规律，采用离散单元法(DEM)与计算流体力学 (CFD)方法结合，提出催化颗粒轴向分层布置、组件单元分区布置、催化颗粒高温自保护等创新设计，使消氢装置表面温度能够始终低于氢气爆炸极限值，达到提高消氢效率和优化热量分布的统一。

“现有氢气复合器维护时，需要工作人员们进入高温高辐照环境中处理数小时。针对氢气复合器的维护，你们有什么好的想法吗？”核电站技术人员的疑问，为团队的进一步创新指明了新方向。团队首创氢气复合器“在线自清洁”的集成设计构想，加入热风吹扫装置，利用内循环加热，就地实现组件单元自动催化能力再生。模拟得知，该装置在200℃左右加热1小时，催化能力可恢复至97%，简化维护流程，提高工作效率。

团队研发的新型组件式非能动高效氢气复合器

经测算，“基于球形催化颗粒的新型组件式非能动高效氢气复合器”消氢速率约为 38 kg/h。相比于目前广泛使用的氢气复合器，理想条件下消氢能力最大可提升约16倍，同时实现了阻力平衡和反应速率合理控制与优化，装置体积也缩小60%。

在实践中学习

团队合作是“通关秘笈”

一个项目的成功离不开优秀的团队。团队成员均为核学院2018级本科生，他们在合作中共同进步。几个人分工合作，每个人都有独立负责的创新部分，都是团队不可或缺的一部分。

学院现有的课题组没有相关方向的研究，成员们从头开始学习探索。简单立方填充、体心立方填充、面心立方填充……为了在缩小体积的前提下扩大氢气与催化装置的接触面积，成员们设计了50余种催化颗粒的堆放形式，最终确定了中空结构球床通道这一形状。

在进行热量优化实验前，团队成员并没有接触过建模相关工具，大家都是边实践边学。“我们还给介绍相关算法的论文作者发过邮件，询问研究过程，什么方法都试过了。”曹巍说。成员们发现离散单元法与计算流体力学并不兼容，高全燚主动申请自学Python编程，创新设计转换程序，使通道的几何模型顺利搭建，团队因此获得一项软件著作权。“有目的地学习并付诸实践，会让我们更快更牢地掌握知识和技能。”他说。

团队需要不断调整网格分辨率模拟多种工况，每次都需要几个小时，经常出现怎么调试都不对的情况，只能选择不同的模型重新开始。经历了半年的参数调整，他们终于得到保持中空结构与热量分布均衡的最优解。那段时间，团队成员经常深夜想起一个点子，立马爬起来计算。“只要投入够了，晚上睡觉做梦都想这事儿。”李昊洋说。

要学会用学术语言阐述自己的观点，研读文献资料是科研入门的必经之路。在撰写专利申报书时，团队成员大量阅读文献，学习学术语言逻辑和表述思路。这段时间，他们几乎整天泡在实验室里，饿了就啃一口面包继续干，经常回到寝室已经接近凌晨。

修改答辩材料时刚好赶上期末考试，团队成员会制定好每天的学习计划和目标。“按照轻重缓急划分事情，分配好时间，集中精力、提高效率完成先最重要的部分。”周雨锋说。“我们参加比赛的目的一致，就是为了锻炼自己，大家都没有功利心，看淡结果也使我们的合作更默契。”孙志远说。

师长关怀

“华龙一号”总师邢继点赞

摸着石头过河，这一创新项目的研发中遇到很多困难。学院党委副书记刘铁来到实验室看望并鼓励团队成员，“学院相信你们，有什么需要，尽管提！”他有力的话语给团队成员吃了一颗“定心丸”；校友、“华龙一号”总设计师邢继与团队交流后，为这一创新项目点赞，并给出发展建议；核学院首任名誉院长、中国工程院院士孙玉发教授鼓励学生们坚持研究，深耕核科学领域做出更大成绩......他们的关心和支持，是团队实现创新的强大动力。

团队与指导教师合影

在丁铭和郭泽华两位老师的指导下，成员们进一步完善项目内容和专利申报书。在进行球床通道流动阻力实验时，丁铭手把手教学，指导成员们重视细节对实验结果的影响，时刻提醒他们注意装置的安全性；修改申报书时，郭泽华经常因为小问题与他们讨论许久，高标准要求研究思路的清晰和对问题本质的把握。他们更是逐字逐句地审阅申报书，提出修改意见。“在老师身上，我们学到了对待科研问题一丝不苟的专业态度，和不解决问题不罢休的拼搏精神。”团队成员曹巍说。

“能够解决实际问题，才是科学研究的最终目的。”团队成员周雨锋说。为了了解核电站的实际建设情况，明确项目的应用价值，辅导员李大任带领成员们赴福清、烟台等地，调研“华龙一号”核电站，与工作人员交流学习。

团队成员与邢继交流

在烟台，成员们见到了师兄、“华龙一号”总设计师邢继，并与他交流学习。“学生们围绕新型组件式的非能动氢气复合器开展的一系列创新研究，对核电站的安全具有重要意义，可有效消除事故后的氢爆风险，为我国核电安全的发展保驾护航。”邢继在肯定了他们的创新项目后，也为后续的研究方向提出了建议。团队还与核领域专家孙玉发院士通过电话交流项目进展，得到了孙院士的鼓励和支持。

团队调研“华龙一号”核电站并与工作人员交流

经过努力，团队不负众望，拿到了省赛一等奖，这给了团队成员更大的信心。在对答辩材料几百次修改和熟悉后，团队走上了国赛的战场。他们将团队取名“核0-1”，希望实现从零到一的突破。最终，凭借项目先进的研究思路、完全创新的解决方法和对进一步研究的明晰，团队一举拿下国赛一等奖。

“从实际出发，了解问题的本质，用实验验证自己的想法，在失败中总结经验，才有可能形成创新成果。创新从来不是天马行空的想象。”孙志远说。

目前，该项目已经正式立项，学院相关课题组开展下一阶段的设计和应用研究。“希望未来的‘华龙二号’或者‘华龙三号’上能够有我们设计的装备，从安全到更安全，大家会一直为这个目标努力。”这是团队成员共同的愿望。

能源低碳发展关乎人类未来

核能作为零碳排放能源

将有力支撑我国实现

“碳达峰”“碳中和”目标

哈工程的有志青年们

正在为强核报国不断努力！

全国100个！

他们让50万+人次体验哈工程的“红”和“蓝”

哈工程！冠军！

固体制冷零污染！

这个优秀的哈工程科创团队大四成员全员读研

全员读研！

为哈工程这个“神仙班级”举大旗！

    哈尔滨工程大学    

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撰文 | 谷雪 徐伟哲

排版 | 柳力豪

编辑、责编 | 霍萍

审核 | 吕冬诗 金声