西安交通大学核电厂系统与设备课程教学研究与实践

田文喜 张亚培 陈荣华 秋穗正 苏光辉

[摘 要]核动力系统与设备是核工程与核技术专业最重要的一门专业核心课程。西安交通大学在核动力系统与设备课程教学方面进行了改革和尝试，不断更新教材内容，将优势科研和学术前沿研究融入教学，采用多媒体及虚拟现实多种教学手段，建设了核电设备模型展室，并与多个核电厂联合成立了学生课外实践基地，通过多管齐下的手段让学生更好地掌握枯燥乏味的核电系统设备知识，教学效果较为显著。相关措施可为其他开设该课程的高校同仁提供参考。

[关键词]核动力系统；教学研究；西安交通大学

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）08-0052-03

核电厂系统与设备是核工程与核技术专业的专业核心必修课程，该课程是核工程专业核心课程核反应堆物理、核反应堆热工分析、核反应堆控制及核反应堆安全课程的基础，也是学生走上工作岗位所必须掌握的基本知识，因此，将该课程称为核工程与核技术专业最重要的一门课程也不为过。通过对该课程的学习，学生能够深刻掌握核电厂主要系统设备的基本工作原理和设计理念。虽然这门课程没有大量烦琐的公式推导和理论方程，但要想使学生达到“知其然并知其所以然”的目标却并非易事，对教师本身专业知识水平及课程资源等诸方面都有较高要求。

近些年来国内成立核专业的高校剧增，由十来年前的10余所猛增至现在的50余所。新开设核专业的高校面临着课程体系及师资力量建设等诸多困难。西安交通大学核专业是我国最早成立的核专业之一，已经有60年的专业历史，核能科学与工程是国家重点学科，为我国核工程培养了3400余名本科毕业生、800余名研究生，为各大核电集团开展操作员基础培训3200余人次，在人才培养和教学研究中积累了丰富的经验。核电厂系统与设备课程在西安交大也已经开设了30余年，本文将介绍西安交大在核动力系统与设备课程方面的教学研究和尝试，供其他开设该课程的高校同仁参考。

一、精编教材，将最新前沿知识引入教学

自第一座核反应堆于1942年在美国芝加哥大学由核能先驱费米主导设计和建成以来，世界核能技术的发展大致经历了如图1所示的几个阶段，特别是2000年以后，随着核能发展春天的来临和第四代先进核能系统的提出，众多新型核反应堆概念不断提出。西安交大在90年代初出版了讲义教材《核反应堆结构与动力设备》[1]，后经几次修订。但随着核能形式的不断发展，特别是21世纪以来一些创新性的堆芯和核电厂系统设计理念的不断涌现，原有教材内容较为陈旧，已不能满足目前课程教学和人才培养的需要，而现有的国内其他教材也存在内容陈旧的问题[2][3]。因此，西安交通大学于2015年出版了《先进核电厂结构与动力设备》这一教材[4]。新教材适当缩减原讲义中关于第二代反应堆的内容，添加了AP1000、ABWR、EPR等第三代反应堆的内容，新加入SCWR、MSR、VHTR等第四代反应堆的结构原理等内容，同时简单介绍了一些概念设计新颖的堆型，包括小型模块式反应堆、球床式水冷堆、行波堆、聚变裂变混合堆及国际热核聚变堆等，旨在使学生能够较为全面地掌握先进核能系统发展前沿知识，学生反映效果良好。

此外，随着先进设计理念不断应用于核能系统设计中，系统设计理念的更新换代也很快，这些知识容易混淆，也需要及时更新到新的教学内容中并重点进行对比分析。如二代压水堆堆内中子通道测量导管是由下封头贯穿压力容器，但是福岛事故后大量研究发现贯穿件及焊接部分是压力容器较为薄弱的部位，严重事故堆芯熔融状态下这些薄弱的部位往往最先失效。因此在部分二代改进型堆型及三代核电华龙一号及AP1000等堆型中测量导管贯穿件改为由上封头贯穿[5]。再如二代压水堆堆型压力容器等大型设备是在安全壳顶盖吊装完成后由设备进出门（龙门）进行安装的，而三代核电AP1000的压力容器是在安全壳顶盖吊装完成前从上部直接吊装的，华龙一号福清核电示范工程的压力容器安装也采用了“开顶”法安装，节约了工期。这些设计理念的更新在教学中要向学生重点讲授。

二、充分借鉴多媒体等现代化先进教学手段

核电厂系统与设备课程主要介绍了核电厂实际的结构与动力设备，具有明确的工程应用背景，内容多且复杂，对学生的理解能力要求较高。针对这些特点，在教学过程中，教师充分发挥了多媒体技术教学的优势，基于PowerPoint软件设计了图文并茂、形象生动的多媒体教学课件（图2），直观地展示了核电厂中各部件、结构、系统的组成与功能。同时，也将晦涩难懂的文字信息变成直观的图片信息，以让学生更好地掌握各种核反应堆结构及设计原理。还进一步引入并设计制作了展示视频（图3），以对字面上难以理解的复杂设备的工作方式和系统的动态运行过程等抽象知识进行直观介绍，使学生对核反应堆系统和设备的运行原理得以充分理解与掌握。为提高学生学习兴趣，可及时从网络上搜集关于核电方面的热点内容如“大国重器”等，将核电当前发展形势与教学相融合，促使学生自觉了解当前核电行业的最新发展状况，激发学生的学习兴趣。课程组还充分利用先进的虚拟仿真技术，建设了核电厂虚拟仿真VR实验室，让学生如身临其境般对核电厂进行虚拟现实参观。这不但能促进学生对核电厂系统设备知识的掌握，也丰富了教学环节，提高了学习乐趣。

课程组还将优势科研融入教学，在教学过程中适当地對课题组最新相关研究成果进行了展示。例如，在大型先进压水堆专项支持下，开发蒸汽发生器三维实体建模分析技术（图4）；在快堆重大专项支持下，针对我国示范快堆（图5）开发的三维全尺寸堆芯、一维回路系统跨尺度动态模拟技术。将这些最新研究成果融入教学内容，一方面对学生深入掌握核能系统的结构和运行原理大有裨益，一方面也提高了课程的学术意义，有利于激发和提高学生科研方面的兴趣。

三、建设核电厂系统设备模型室

核电厂系统十分复杂，其主要包括一回路系统和二回路系统，且每个系统又包含大量结构复杂的大型设备，如一回路系统包含堆芯及压力容器结构、蒸汽发生器、稳压器、主泵等。核电厂一回路系统内冷却剂流动传热特性十分复杂，以蒸汽发生器为例，一台百万千万机组的蒸汽发生器传热管数多达4474根，传热管内一次侧流体的流程与管外二次侧冷却剂流程不同，且相互耦合，影响蒸汽发生器的传热效率和运行特性。如果仅仅通过课本知识的传授和描述，教师不能形象化地将蒸汽发生器一、二次侧流体流动情况呈现出来，可能导致学生对蒸汽发生器的具体结构和工作原理的理解不深刻。

因此，为了强化核动力系统与设备课程教学效果，增强学生对核电厂系统及重要设备的结构和工作原理的理解，西安交通大学以设计购置和捐赠的方式专门建设了核电厂系统及重要设备模型教学实验室。其主要模型包括堆芯及压力容器结构模型、安全壳结构模型、主泵模型、蒸汽发生器模型、一回路系统模型、二回路系统模型及控制棒驱动机构模型等（图6）。核电厂一二次侧热工流体采用不同颜色的灯光显示，让学生可以清晰地看到热工流体在复杂系统和设备内的流动路径，加深学生对课本知识的理解。学生通过与核电厂系统及设备实物模型多方位的、立体性的接触，开阔了知识视野，活跃了思路。

通过采用复杂系统设备实物模型现场教学的方式和方法，学生能更好地理解系统设备的运行原理；将抽象的课本知识具体化和形象化，既方便学生理解和记忆，同时也激发了学生的学习兴趣，提高了学习效率，达到了良好的学习效果。我们将核动力系统与设备模型教学有效地融入教学体系中，构建了理论与实践相结合的教学体系，面向2010-2014级400多名核工程专业本科生开展了教学实践（图7），取得了良好的教学效果。

四、眼见为实，积极开拓和建设校外实践基地

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”课本、多媒体课件、虚拟现实及实体教学模型在感官上与真实核电厂系统设备仍有很大区别。为了使学生能够更真实地了解真实核电厂的系统运行情况，西安交大核学院积极开拓资源，与西北核技术研究所、中国原子能科学研究院、中国核动力研究设计院、上海核工程研究设计院、江苏核电有限公司、秦山核电联营有限公司、国家核电软件中心、中广核研究院等国内知名核电企业及科研院所联合建立了学生课外实践基地（图8）。专业认知实习、生产实习、暑期夏令营实习等使学生能够有机会参观甚至短期直接参与核电站或核反应堆系统的运行和维护工作。同时在实践过程中，请科研院所的设计人員给学生讲解核电厂系统设备的设计原理，请核电厂的操作员和一线运维人员给学生讲解核电厂系统设备的运行原理，从而达到使学生全面深刻地掌握和理解课程知识的目的。

五、总结

本文介绍了西安交大在核电厂系统与设备课程教学方面的改革和尝试，具体措施包括不断更新教材内容，将优势科研和最新学术前沿研究融入教学，采用多媒体及虚拟现实多种教学手段，建设了核电设备模型展室，并与多个科研院所和核电企业联合成立了学生课外实践基地，通过多管齐下的手段让学生更好地掌握枯燥乏味的核电系统设备知识，教学效果较为显著。希望相关措施可为其他开设该课程的高校同仁提供参考。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 秋穗正，郭玉君，苏光辉等.核电厂结构与动力设备[Z].西安：西安交通大学讲义，1990.

[2] 臧希年.核电厂系统与设备：第二版[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3] 周涛，盛程.压水堆核电厂系统与设备[M].北京：中国电力出版社，2012.

[4] 秋穗正，苏光辉，田文喜等.先进核反应堆结构与动力设备[M].北京：原子能出版社，2015.

[5] 林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[责任编辑 刘凤华]