基于计算机和航天工程的核电站对比分析看升级换代问题

1、基于计算机和航天工程的核电站对比分析看升级换代问题关键词：计算机; 航天工程; 核电站; 升级换代;Realizing Nuclear Power Plant Generation Progress through Computer and Spaceflight EngineeringWang YuanlongScience and Technology Laboratory on Reactor System Design, Nuclear Power Institute of China National Energy Pressurized Water Reactor Technolo

2、gy Research CenterAbstract：Generation progress is the actual problem that all of industry enterprise products must face. It is also the objective law shown clearly in the market competition. The apparent feature of this law is that it often is thrown away by itself. The new product is developed by s

3、elf. So, to the old product of the enterprise, its market area will be pressed and shrinks gradually, or seriously withdraws from the market. If the product is international, it means that the same as the problem faced like the internal market. Here, the realization is that if the product is not dis

4、carded by itself, will be thrown away by others. This paper will discuss the generation progress problem of nuclear power plant through the description of computer and spaceflight engineering generation progress.Keyword：computer; spaceflight engineering; nuclear power plant; generation progress;0 引言

5、升级换代是所有工业企业产品都必须面临的实际问题。换代就是以新换旧。新旧之间的替换意味着旧有的产品面临市场被压缩甚至被淘汰的现实。这是市场竞争凸显出的一种客观规律, 不以人们是否愿意接受的主观意志为转移。工业领域这种特定的客观规律有一个显著特点, 就是自己淘汰自己。新产品是自己开发出来的。如此, 对企业旧有的产品而言, 轻者, 市场空间开始受到压缩;重者, 不得不退出整个市场。当然, 如果产品本身是国际化的, 也就意味着新产品是对国际同类已有产品的市场压缩或淘汰。这里也见到, 以新换旧的产品竞争的确带有所谓的残酷性。从中也可以体会到如果自己不淘汰自己则很可能就意味着被淘汰。1 计算机和航天工程升

6、级换代产品升级换代是企业必须作为发展战略来重点考虑的重要课题。要实现升级换代, 就必须有新旧区别的具体技术指标。升级换代是围绕着这种具体指标展开的技术改进或创新的活动过程。这个过程具有牵一发而动全身;的特征。下面通过中国国内的计算机和航天工程的升级换代两个典型实例来分别进行讨论。计算机特别是超级计算机是影响国家许多方面的战略性支撑产品。航天工程则是一个国家外太空或空天竞争能力的具体表现。1.1 计算机升级换代2014年11月, 在美国新奥尔良市召开的世界超级计算机大会上, 国际TOP100组织发布了超级计算机最新排行榜, 中国国防科技大学研制的天河二号;超级计算机, 以每秒33.86千万亿次的

7、浮点运算速度获得四连冠1,2。每秒33.86千万亿次的运算速度是个什么概念。计算机发展的历史告知3,4:1946年1956年, 世界上出现第一代电子管式计算机, 运算速度范围从每秒几千到上万次;1956年1962年, 世界上出现第二代晶体管式计算机, 运算速度在每秒几万到几十万次;1962年1970年, 世界上出现第三代集成电路计算机, 运算速度每秒可达上百万次以上;1970年以后, 世界上出现了第四代超大规模集成电路计算机, 运算速度从每秒几千万次到千亿次不等。进入21世纪后, 以美国为代表的计算机运算速度已经达到每秒千万亿次。中国大陆的计算机研制始于1956年5, 1958年1959年相继

8、研制成功了小型晶体管和大型晶体管电子计算机;1965年, 出现运算速度为每秒5万次的晶体管电子计算机;1973年, 研制成功运算速度为每秒100万次的集成电路计算机, 用它解算一个200阶的代数方程组仅用十几秒钟, 而人工则大约需要100人算一年;1983年, 每秒亿次的超高速计算机诞生;1992年, 每秒10亿次的并行计算机也研制成功, 并被用于气象、核能、石油、航天航空等有大数据量处理需求的行业部门;到了2008年, 中国首台运算速度为每秒万亿次的计算机研制成功6;2009年, 国产万亿次桌面超级计算机的峰值计算能力高达每秒4万亿次, 其计算能力相当于200台个人电脑, 体积却与普通计算机

9、相仿7;同年, 国产每秒千万亿次的计算机面世8,9,10天河一号采用并行结构, 持续运算性能每秒2507万亿次, 运算1h, 相当于全国13亿人同时计算340年以上或相当于1台高性能家用电脑运算620年, 它被TOP100发布的2010年度世界超级计算机100强排行榜列在榜首位置, 一举超越美国成为当年世界计算速度最快的计算机10。中国还在考虑研制万万亿次及十亿亿次的超级计算机11,12。从上面罗列的数据看到, 计算机升级换代主要的代际特征指标是它的运算速度。从每秒几千次到每秒千万亿次, 时间跨度不过70年 (19462015) 。有人认为超级计算机性能的发展遵循千倍定律, 即每隔10年性能就

10、会提高1000倍。不管这话准确性如何, 起码说, 计算机的发展速度是非常惊人的。超级计算机的计算能力是一个国家综合国力最具代表性的体现之一。计算机运算速度的提高本身就是微电子、软件、材料等行业共同发展及众多行业发展需求推动的结果。它对一个国家产业链的形成与带动以及多学科和技术的进步举足轻重。它更反映出一个国家的综合系统集成能力。这种系统集成能力的强弱关乎国家的兴衰。1.2 航天工程的升级换代中国探月工程分绕;落;回;3个阶段。作为深空探测的第一步, 计划在2007年发射第一颗探月卫星嫦娥一号;, 实现绕月飞行的目标, 争取分别在2010年前和2020年前实现落;和回;的目标13。2007年,

11、嫦娥一号发射成功14。2013年, 嫦娥三号探测器在月面成功软着陆15。探月工程三期的主要目标是实现无人自动采样返回, 嫦娥五号将于2017年左右发射, 2020年前带回月球样品16。探月工程还将实现载人登月的目标17。载人航天方面:2008年, 神舟七号载人飞船发射成功18。2011年, 神舟八号和中国首艘空间试验站天宫一号相继发射成功, 并成功实现首次无人空间交会对接19,20,21。2012年则成功实现有人对接22。这些为后续实现有人值守空间站打下了坚实的基础23。这里看到, 中国探月工程和空间站工程也有自己的主要特征指标, 即将人送上月球和实现有人值守空间站。比较看到, 计算机的升级换

12、代的运算速度特征指标是一个阶梯式的阶段目标值。航天工程则把将人送上月球和留在空间站作为终极目标。人上月球后及人在空间站后又该做什么, 则需要另外的特征指标来规定了。航天工程所涉及的行业与计算机一样广泛。它也需要超强的综合系统集成能力作为支撑。而这两者结合的产品中国北斗卫星导航系统;, 无论军用、民用还是为国际服务, 都有着不可替代的巨大作用。2 核电站的升级换代作为核电强国的美国, 如图1所示, 划分核电站的代际24,25。图1中升级换代的立足点是在核反应堆本身 (包括:电功率多少与体积大小和环路个数) 。这符合核电站的特点。原型堆是核电站早期的实验性堆型 (电功率一般1×105K

13、W以下) 。原型意味着原创, 原创的特征就是先进性 (先进性指:首创或时间不长, 前后相继出现) 加不完善性 (如:发电功率不大) 。中国人常说一步先, 吃遍天。;美国核电的发展可作为例证。尽管20世纪80年代后, 美国极少再建新的核电站, 但还是设计出了在世界上具有典型代表性的第三代改进型核电站AP1000 (电功率1000MW或1×106KW, 双环路) , 并且被中国引进作为自己核电站升级换代的样板。特别是AP1000的非能动 (passive的翻译语) 技术, 已经成为了中国自己推出的三代核电站华龙一号;的特征性技术。AP1000 (前身是AP600) 在美国并无建成的核电

14、站。它显然是在没有工程任务背景下的研究设计结果。这正好说明升级换代并非是以建成的核电站作为标志的。特别是图1中的第四代核电站, 连原型都谈不上, 充其量是基于既有成熟经验的新概念研究设计。这些表明, 基础研发是行业发展的关键所在。美国之所以能长期引领核电发展的世界潮流, 其强大的综合基础研发能力发挥着决定性的作用。图1 核电站代际划分Fig.1 Nuclear power plant generation classification基础研发能力不足就极难清晰地提出升级换代的技术指标, 更难以说引领世界核电发展方向。由于历史原因, 中国在核电领域是采用引进翻版改进;的发展模式25。国内发展核电

15、的立足点是基于引进技术的成熟性加实用性, 且把这两性与安全性相关联。实际上, 这样的核电发展理念是有明显缺陷的。中国的核电发展没有经历完整的过程, 有先天不足。秦山一期300MW核电站是中国大陆第一个探索性的原型实验核电站。它之前没有第一代原型堆25。当然, 也可以把中国从20世纪60年代开始建设的核动力装置作为原型堆看待, 但两者间彼此没有继承性和延续性 (有人员交流) 。秦山一期核电站借鉴了国外二代商用核电站的成熟技术有人说这是跨越式发展, 但这种跨越是先天不足的, 并且还受到以工程任务为导向的人为制约而影响其发展进程。华龙一号;的推出是个实例。它是在引进美国AP1000和欧洲EPR三代核

16、电技术后出现的, 且环路不是AP1000的两环而是沿用大亚湾的三环。AP1000样板工程工期一再推迟是又一个实例。如果中国国内自己的基础研发能力能够支持的话, 延误工期的事件就不会发生。受制于人是因自己的能力掣肘所致。秦山一期是模仿, 大亚湾是法国法马通交钥匙工程, 秦山二期是仿大亚湾减环路降功率, 岭澳、红沿河等又是复制大亚湾。秦山三期、田湾等均取自国外。这里的问题是, 中国的核电站的特征性指标究竟是什么, 升级换代的特色当在何处26,27,28。3 后续好消息的启发作用中国的超级计算机能让美国人心生嫉妒2,29中央电视台 (央视) 2015年7月14日晚19:00新闻联播报道, 中国国防科

17、技大学的天河二号;计算机获得了世界超级计算机五连冠;。2016年11月15日又有报道, 中国神威·太湖之光;超级计算机列在年度全球500强榜单首位;它的运算速度为天河二号;的两倍以上, 约为排名第三的美国同类计算机的5倍。2017年6月19日央视晚19:00新闻联播又报道, 神威·太湖之光;再次蝉联全球超级计算机冠军。2017年5月3日晚, 央视新闻联播披露中国量子计算机研究在国际上率先获得重大突破。中国的航天工程能让世界耳目一新央视新闻联播报道, 2017年4月27日19时07分, 天舟一号;货运飞船与天宫二号;空间实验室成功完成首次推进剂在轨补加试验。该项重大技

18、术突破, 为我国空间站组装建造和长期运营扫清了能源供给上的障碍, 使我国成为世界上第三个独立掌握这一关键技术的国家。此外, 中国高铁也赢得海外青睐从技术到标准再到服务等成建制化体系跨出国门。又讯, 在2017年首届中国三亚国际水稻论坛;上, 袁隆平院士透露了关于第五期超级杂交稻培育的最新进展。中国超级稻已经分别实现了单季亩产700Kg、800 Kg、900Kg、1026.7Kg和1067Kg的目标, 目前正在攻关亩产1130 Kg。所有这些, 都源于综合基础研发能力的长期、持续不断地扎实提升。前不久央视还报道, 中国正式整合研发资源组建了国家航空发动机公司。这理应可以为核电特别是核反应堆的技术

19、研发和关键技术突破提供直接参照。中国超级计算机通过一代代努力有了超越世界的超强计算速度。中国航天从神州;到嫦娥;进而到天宫;再到天舟;, 每一次发射都实现一次重要关键技术的重大突破, 跃上一个新的台阶。这一个个台阶就构成了中国航天跃上世界之巅实现星际宇航的云梯。中国核电站的升级换代也需要有技术指标明确, 发展阶段清晰的技术路线图, 一代一代地推陈出新, 让新能源之光普照中华大地。像现在各个核电公司采用同一技术模式或借引进技术模式自立门户的做法, 除了能画地为牢、变现地盘战略外, 不太容易真正做到核电站本身的升级换代。核电站的核心是核, 核的核心是核反应堆的堆芯。堆芯升级换代是核电站升级换代的关

20、键所在。就如同计算机, 核心部件从电子管、晶体管, 集成电路, 再到如今小荷才露尖尖角;的量子计算机, 没有核心的突破, 相关的一切就只能是望洋兴叹30,31。4 结束语计算机是信息处理大师, 航天工程是新材料的集大成者, 核电站则是无碳能源的生产商。世界三大资源:信息、材料和能源。能源是基础, 没有能源, 信息处理与传输和材料研发与加工就无从做起。三者要能发挥各自优势, 产生工程和社会综合效应, 则需要科学研究作为先导来引领技术开发。从基础科学到技术科学再到工程科学, 是一个需要长时间甘于把冷板凳坐热;的坚守才能有所真实收获的过程。在中国, 核电站建设走着一条引进翻版改进;的道路, 抢占市场

21、是核电公司的首要目标, 本身有着基础研发能力难于同步、跟不上的先天不足缺陷, 升级换代显得目标不清晰、后劲不足。如今, 中国核电又在国家战略层面被要求走出去;开拓海外市场。这就要求核电行业要把基础研发能力尽快提升上来, 通过技术创新带动产业升级换代, 以适应面向未来的要求。参考文献1新华网.中国天河二号;获全球超级计算机四连冠N.2014-11-17.2第一财经日报.美国禁止向中国出口超算芯片N.2015-04-09.3潘永祥.自然科学发展简史M.北京:北京大学出版社, 1984.4高兴.计算机详解EB/OL.2014-10-14.5有林, 郑新立, 王瑞璞.中华人民共和国国史通鉴第三卷第五册

22、M.北京:红旗出版社, 1997.6我国首台国产万亿次计算机研制成功N.中国青年报, 2008-01-14.7国产万亿次桌面超级计算机面市N.中新社, 2009-03-03.8我国千万亿次计算机将首次使用国产龙芯处理器N.华夏经纬网, 2009-04-13.9中国科学院研制成功单精度千万亿次超级计算系统N.中新社, 2009-04-21.10天河一号;运算性能跃上世界之巅N.解放军报, 2010-10-29.11中国万万亿次超级计算机有望5年内问世N.华夏经纬网, 2010-11-18.12我国将研发十亿亿次超级计算机N.人民日报, 2014-05-14.13中国首颗绕月探测卫星将于明年2月出厂N.中新网, 2006-11-29.14嫦娥一号在西昌卫星发射中心成功升空N.新华网.2007-10-24.15嫦娥三号圆满成功N.新华网.2013-12-16.16嫦娥五号将于2017年左右发射并带回月球样本N.新京报, 2014-08-11.17中国载人月球车亮相N.华夏经纬网, 2014-04-10.18神舟七号载人飞船发射成功N.