田文喜 張亞培 陳榮華 秋穗正 蘇光輝

[摘 要]核動力系統(tǒng)與設備是核工程與核技術專業(yè)最重要的一門專業(yè)核心課程。西安交通大學在核動力系統(tǒng)與設備課程教學方面進行了改革和嘗試，不斷更新教材內(nèi)容，將優(yōu)勢科研和學術前沿研究融入教學，采用多媒體及虛擬現(xiàn)實多種教學手段，建設了核電設備模型展室，并與多個核電廠聯(lián)合成立了學生課外實踐基地，通過多管齊下的手段讓學生更好地掌握枯燥乏味的核電系統(tǒng)設備知識，教學效果較為顯著。相關措施可為其他開設該課程的高校同仁提供參考。

[關鍵詞]核動力系統(tǒng)；教學研究；西安交通大學

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）08-0052-03

核電廠系統(tǒng)與設備是核工程與核技術專業(yè)的專業(yè)核心必修課程，該課程是核工程專業(yè)核心課程核反應堆物理、核反應堆熱工分析、核反應堆控制及核反應堆安全課程的基礎，也是學生走上工作崗位所必須掌握的基本知識，因此，將該課程稱為核工程與核技術專業(yè)最重要的一門課程也不為過。通過對該課程的學習，學生能夠深刻掌握核電廠主要系統(tǒng)設備的基本工作原理和設計理念。雖然這門課程沒有大量煩瑣的公式推導和理論方程，但要想使學生達到“知其然并知其所以然”的目標卻并非易事，對教師本身專業(yè)知識水平及課程資源等諸方面都有較高要求。

近些年來國內(nèi)成立核專業(yè)的高校劇增，由十來年前的10余所猛增至現(xiàn)在的50余所。新開設核專業(yè)的高校面臨著課程體系及師資力量建設等諸多困難。西安交通大學核專業(yè)是我國最早成立的核專業(yè)之一，已經(jīng)有60年的專業(yè)歷史，核能科學與工程是國家重點學科，為我國核工程培養(yǎng)了3400余名本科畢業(yè)生、800余名研究生，為各大核電集團開展操作員基礎培訓3200余人次，在人才培養(yǎng)和教學研究中積累了豐富的經(jīng)驗。核電廠系統(tǒng)與設備課程在西安交大也已經(jīng)開設了30余年，本文將介紹西安交大在核動力系統(tǒng)與設備課程方面的教學研究和嘗試，供其他開設該課程的高校同仁參考。

一、精編教材，將最新前沿知識引入教學

自第一座核反應堆于1942年在美國芝加哥大學由核能先驅(qū)費米主導設計和建成以來，世界核能技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了如圖1所示的幾個階段，特別是2000年以后，隨著核能發(fā)展春天的來臨和第四代先進核能系統(tǒng)的提出，眾多新型核反應堆概念不斷提出。西安交大在90年代初出版了講義教材《核反應堆結構與動力設備》[1]，后經(jīng)幾次修訂。但隨著核能形式的不斷發(fā)展，特別是21世紀以來一些創(chuàng)新性的堆芯和核電廠系統(tǒng)設計理念的不斷涌現(xiàn)，原有教材內(nèi)容較為陳舊，已不能滿足目前課程教學和人才培養(yǎng)的需要，而現(xiàn)有的國內(nèi)其他教材也存在內(nèi)容陳舊的問題[2][3]。因此，西安交通大學于2015年出版了《先進核電廠結構與動力設備》這一教材[4]。新教材適當縮減原講義中關于第二代反應堆的內(nèi)容，添加了AP1000、ABWR、EPR等第三代反應堆的內(nèi)容，新加入SCWR、MSR、VHTR等第四代反應堆的結構原理等內(nèi)容，同時簡單介紹了一些概念設計新穎的堆型，包括小型模塊式反應堆、球床式水冷堆、行波堆、聚變裂變混合堆及國際熱核聚變堆等，旨在使學生能夠較為全面地掌握先進核能系統(tǒng)發(fā)展前沿知識，學生反映效果良好。

此外，隨著先進設計理念不斷應用于核能系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)設計理念的更新?lián)Q代也很快，這些知識容易混淆，也需要及時更新到新的教學內(nèi)容中并重點進行對比分析。如二代壓水堆堆內(nèi)中子通道測量導管是由下封頭貫穿壓力容器，但是福島事故后大量研究發(fā)現(xiàn)貫穿件及焊接部分是壓力容器較為薄弱的部位，嚴重事故堆芯熔融狀態(tài)下這些薄弱的部位往往最先失效。因此在部分二代改進型堆型及三代核電華龍一號及AP1000等堆型中測量導管貫穿件改為由上封頭貫穿[5]。再如二代壓水堆堆型壓力容器等大型設備是在安全殼頂蓋吊裝完成后由設備進出門（龍門）進行安裝的，而三代核電AP1000的壓力容器是在安全殼頂蓋吊裝完成前從上部直接吊裝的，華龍一號福清核電示范工程的壓力容器安裝也采用了“開頂”法安裝，節(jié)約了工期。這些設計理念的更新在教學中要向?qū)W生重點講授。

二、充分借鑒多媒體等現(xiàn)代化先進教學手段

核電廠系統(tǒng)與設備課程主要介紹了核電廠實際的結構與動力設備，具有明確的工程應用背景，內(nèi)容多且復雜，對學生的理解能力要求較高。針對這些特點，在教學過程中，教師充分發(fā)揮了多媒體技術教學的優(yōu)勢，基于PowerPoint軟件設計了圖文并茂、形象生動的多媒體教學課件（圖2），直觀地展示了核電廠中各部件、結構、系統(tǒng)的組成與功能。同時，也將晦澀難懂的文字信息變成直觀的圖片信息，以讓學生更好地掌握各種核反應堆結構及設計原理。還進一步引入并設計制作了展示視頻（圖3），以對字面上難以理解的復雜設備的工作方式和系統(tǒng)的動態(tài)運行過程等抽象知識進行直觀介紹，使學生對核反應堆系統(tǒng)和設備的運行原理得以充分理解與掌握。為提高學生學習興趣，可及時從網(wǎng)絡上搜集關于核電方面的熱點內(nèi)容如“大國重器”等，將核電當前發(fā)展形勢與教學相融合，促使學生自覺了解當前核電行業(yè)的最新發(fā)展狀況，激發(fā)學生的學習興趣。課程組還充分利用先進的虛擬仿真技術，建設了核電廠虛擬仿真VR實驗室，讓學生如身臨其境般對核電廠進行虛擬現(xiàn)實參觀。這不但能促進學生對核電廠系統(tǒng)設備知識的掌握，也豐富了教學環(huán)節(jié)，提高了學習樂趣。

課程組還將優(yōu)勢科研融入教學，在教學過程中適當?shù)貙φn題組最新相關研究成果進行了展示。例如，在大型先進壓水堆專項支持下，開發(fā)蒸汽發(fā)生器三維實體建模分析技術（圖4）；在快堆重大專項支持下，針對我國示范快堆（圖5）開發(fā)的三維全尺寸堆芯、一維回路系統(tǒng)跨尺度動態(tài)模擬技術。將這些最新研究成果融入教學內(nèi)容，一方面對學生深入掌握核能系統(tǒng)的結構和運行原理大有裨益，一方面也提高了課程的學術意義，有利于激發(fā)和提高學生科研方面的興趣。

三、建設核電廠系統(tǒng)設備模型室

核電廠系統(tǒng)十分復雜，其主要包括一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)，且每個系統(tǒng)又包含大量結構復雜的大型設備，如一回路系統(tǒng)包含堆芯及壓力容器結構、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵等。核電廠一回路系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑流動傳熱特性十分復雜，以蒸汽發(fā)生器為例，一臺百萬千萬機組的蒸汽發(fā)生器傳熱管數(shù)多達4474根，傳熱管內(nèi)一次側流體的流程與管外二次側冷卻劑流程不同，且相互耦合，影響蒸汽發(fā)生器的傳熱效率和運行特性。如果僅僅通過課本知識的傳授和描述，教師不能形象化地將蒸汽發(fā)生器一、二次側流體流動情況呈現(xiàn)出來，可能導致學生對蒸汽發(fā)生器的具體結構和工作原理的理解不深刻。

因此，為了強化核動力系統(tǒng)與設備課程教學效果，增強學生對核電廠系統(tǒng)及重要設備的結構和工作原理的理解，西安交通大學以設計購置和捐贈的方式專門建設了核電廠系統(tǒng)及重要設備模型教學實驗室。其主要模型包括堆芯及壓力容器結構模型、安全殼結構模型、主泵模型、蒸汽發(fā)生器模型、一回路系統(tǒng)模型、二回路系統(tǒng)模型及控制棒驅(qū)動機構模型等（圖6）。核電廠一二次側熱工流體采用不同顏色的燈光顯示，讓學生可以清晰地看到熱工流體在復雜系統(tǒng)和設備內(nèi)的流動路徑，加深學生對課本知識的理解。學生通過與核電廠系統(tǒng)及設備實物模型多方位的、立體性的接觸，開闊了知識視野，活躍了思路。

通過采用復雜系統(tǒng)設備實物模型現(xiàn)場教學的方式和方法，學生能更好地理解系統(tǒng)設備的運行原理；將抽象的課本知識具體化和形象化，既方便學生理解和記憶，同時也激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學習效率，達到了良好的學習效果。我們將核動力系統(tǒng)與設備模型教學有效地融入教學體系中，構建了理論與實踐相結合的教學體系，面向2010-2014級400多名核工程專業(yè)本科生開展了教學實踐（圖7），取得了良好的教學效果。

四、眼見為實，積極開拓和建設校外實踐基地

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！闭n本、多媒體課件、虛擬現(xiàn)實及實體教學模型在感官上與真實核電廠系統(tǒng)設備仍有很大區(qū)別。為了使學生能夠更真實地了解真實核電廠的系統(tǒng)運行情況，西安交大核學院積極開拓資源，與西北核技術研究所、中國原子能科學研究院、中國核動力研究設計院、上海核工程研究設計院、江蘇核電有限公司、秦山核電聯(lián)營有限公司、國家核電軟件中心、中廣核研究院等國內(nèi)知名核電企業(yè)及科研院所聯(lián)合建立了學生課外實踐基地（圖8）。專業(yè)認知實習、生產(chǎn)實習、暑期夏令營實習等使學生能夠有機會參觀甚至短期直接參與核電站或核反應堆系統(tǒng)的運行和維護工作。同時在實踐過程中，請科研院所的設計人員給學生講解核電廠系統(tǒng)設備的設計原理，請核電廠的操作員和一線運維人員給學生講解核電廠系統(tǒng)設備的運行原理，從而達到使學生全面深刻地掌握和理解課程知識的目的。

五、總結

本文介紹了西安交大在核電廠系統(tǒng)與設備課程教學方面的改革和嘗試，具體措施包括不斷更新教材內(nèi)容，將優(yōu)勢科研和最新學術前沿研究融入教學，采用多媒體及虛擬現(xiàn)實多種教學手段，建設了核電設備模型展室，并與多個科研院所和核電企業(yè)聯(lián)合成立了學生課外實踐基地，通過多管齊下的手段讓學生更好地掌握枯燥乏味的核電系統(tǒng)設備知識，教學效果較為顯著。希望相關措施可為其他開設該課程的高校同仁提供參考。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 秋穗正，郭玉君，蘇光輝等.核電廠結構與動力設備[Z].西安：西安交通大學講義，1990.

[2] 臧希年.核電廠系統(tǒng)與設備：第二版[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3] 周濤，盛程.壓水堆核電廠系統(tǒng)與設備[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 秋穗正，蘇光輝，田文喜等.先進核反應堆結構與動力設備[M].北京：原子能出版社，2015.

[5] 林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[責任編輯 劉鳳華]