执着的追求，不懈地研发
——第一艘核潜艇堆芯的堆外物理工作
陶少平
1965年，我毕业于中国科技大学(北京)近代物理系反应堆工程物理专业，毕业后分到二机部国营404厂(兰州工业器材公司)工作。8月13号报到，9月初我领到两个月的工资150元，工资中包含有边远地区差价和保密费。404厂是国家绝密级，失密和泄密是要上军事法庭负法律责任的。当时在北京工作的大学毕业生每月46元。1966年春节前，我结束金佛寺公社清河大队几个月的四清工作，从404厂调到北京的47-1室物理组。47-1室主任是我大学的堆物理老师韩铎，昝云龙是副主任。韩老师要我，我回到1964年我做毕业论文的194所附近，开始了核潜艇反应堆堆芯物理工作生涯。
1987年陶少平
一、寻求最新核数据，自创自建堆内测量系统
我接触零功率物理实验的第一步是到401所45号零功率实验室实习。不多久，文化大革命开始了，二院的二部(即47-1室)和五部(194所)也展开了激烈的大字报、大辩论。1965年3月20日，由周恩来总理主持的中央专委第11次会议批准核潜艇工程“上马”，重新列入国家计划，北京15所归二机部建制。为了便于集中领导和集中精力工作，一室人马全部搬到第二研究设计院马神庙一号六楼。搬到二院后，在刘群的领导下，我收集和整理堆芯所用到的几十种材料元素和同位素的中子截面数据。不久蔡玉才到刘群的课题组。
大半年里，我们跑原子能所情报室、二机部科技情报所，有时还跑北京图书馆，中午饭常常是两个芝麻酱火烧加一碗馄饨。经过大半年的不懈努力，整理成数十种元素，包括各种同位素近两百种，按中子能谱整理成84群各类型的截面数据库,供理论计算用。
为了保证196堆芯的一次成功，必须有一套对堆芯功率分布实施适时监测的系统,即堆内通量测量系统。当时臧明昌为组长，吸收了理论组的毛玉姣、周明生和我，以及从401所45号实验室回来的戴永源、郑连康等，再加上新分来的两中专生李洁、陆基庆组成一混合组。老臧负责总体设计，周明生和毛玉姣负责选择最能代表全堆芯的近五十个燃料元件中心孔道,测量管道从堆顶到这些孔道的最优化路径。我则参与总体设计和安全阀设计，两中专生负责驱动机构的机械制图。
当时只知道国外有类似的堆内通量测量系统，但却不知道测量丝是个什么?按照要求，这种测量丝要粗细合适，既软又硬，能随意拐弯，还能耐拉耐压不变型。适合橡胶轮抽送和抽出。这个既像细的弹簧又不是弹簧的测量丝苦恼了我们个把星期。在汽车修理店偶然地发现了传感丝(软轴)将车轮的转动传到驾驶室变成車速指示。我们打听到天津汽车软轴厂生产传感软轴。第二天我开了介绍信去天津，成了我一生中唯一奇特惊险的出差旅行。
由于正值“文革”，我赶到北京站买了票，进出站口都封了，从货运口进站，挤上了站台外停的坐满了大串连的红卫兵的客车。我出了天津车站赶到市郊的汽车软轴厂，有位中年人主动地和我聊。他表示能做到我提出的要求，但没人抓生产，没办法做签订合同。最后他留了厂部的两个电话号码。在市里，我只找到十点钟后才能住宿的一间澡堂。第二天我进了没人卖票的天津站挤上车，鬼使神差地我回到了北京。报销差旅费时，幸亏我有天津住澡堂的发票才过了报销的关。不久，中央强化“抓革命、促生产”，由臧明昌，郑连康去天津完成探测软轴的订货和生产，我去武汉抓安全阀的工作。
二、齐心协力，自建最大的零功率实验室
196工程的所有系统和设备已完成了施工设计，大部分设备正在工厂制造或已制造完正运往工地。虽然已确定196反应堆的总体参数如总功率、压力、进出口水温等，但没有确定堆芯的具体布置，导致没有确定最终装入196和195的堆芯参数。当时的理论计算程序没用最新核截面和计萛可燃然毒物的经验，无法回答关乎196和195成败的问题：
1.能否实现安全冷停堆?即控制能力够不够、停堆深度足够吗?能否在满足“卡棒准则”条件下安全地实现冷态停堆?核潜艇进港停泊或需要停堆检修怎么办?
2.反应堆能否按预期达到满功率?即堆芯功率分布不利因子Kv是否超标?若该不利因子超标，反应堆就达不到满功率，一旦超标达满功率就会导致部分燃料元件烧毁。
3.能否让反应堆达到预期的寿命，即会不会运行一年半载后，燃料元件就需要換料了?堆芯提供的后备反应性是否足够?
这三个问题是彭士禄和韩铎考虑最多的中国核潜艇能不能成功建成的关键大问题。唯一的办法就是自力更生，尽快地建设1:1零功率实验室，用1:1实际堆芯的测量结果作为标准，不断地修改和完善堆物理设计计算程序，最后用实验实测方法和以完善且可靠的一系列物理计算程序，给出一个既优化又安全的反应堆堆芯装堆和运行方案。
根据196安装进度网络图，燃料元件、控制棒和硼钢棒等将提前大半年的时间到现场。于是彭总和韩主任果断决定，建设一个可能是世界上最大的常温常压下1:1零功率实验室18-5。为了确保首条核动力潜艇反应堆195一次成功，必须先建设核潜艇的陆上模式堆196，而为了确保196陆上模式堆的一次成功，则必须先建成18-5大型零功率实验室，完成1:1全实际堆芯零功率的全部实验。只有用一系列的物理实验结果作为标准，不断地修改和完善物理设计程序，才能得到较为准确可靠的全套物理理论设计程序，直至得到较为合理而又符合总体要求的反应堆堆芯的布置。
1968年初，正式成立了18-5物理实验室，臧明昌任组长，陈雄月任副组长，组员有近50人之多，有运行组、通量测量组、反应性组、仪器仪表组等,号称基地最大的实验室。因工作带有放射性，是2号点内最远的实验室。臧明昌因堆内通量测量系统在堆顶的安装布置问题，陈雄月因18-1未完的多项实验和18-2的人员培训问题，两人先期去了基地。1968年10月份，为了去建18-5的1:1零功率实验台架，我们二院的十几人先期进川。
我和李洁到武汉出差并结婚，我们的行李打包好托周万福带走。当时，武汉武斗厉害，区民政局很久都无人办公。我们路过西安探望了李洁父母，启程去基地。基地问都没问有没有结婚证,就给我们分到三号点长楼。邻居有吴殿良夫妻和张宗唐夫妻，接着就分到全套家具。我们对外名称是西南水电研究所，家具上都印刷着的编号是成字137部队，是不穿军装的军人，是高级别的保密单位。对外通讯为成都291信箱，对外的电话和电报是成都市825专线转接至各单位分机。我们在食堂吃饭。食堂管理员陈德明兼任行政干事。
中央企业工业文化遗产西南水电所职工宿舍长楼 陈晋南摄
2021年6月3日中国国家博物馆关于收藏“成都291信箱”箱体的函
当时的工作分为人员培训部分和18-5实验室建设两大部分，每人都兼顾两方面的任务。陈发培是培训工作的行政领导，技术负责人是陈雄月。比如李洁安排培训操纵员和18-5回路设备的机械制图、订货安装等，谢玉琪、谭日林等培训物理员和值长，在18-2上，陈雅芝、李洁、陆基庆、李志安等都培训过操纵人员。陈绍能、张林发、权宁一、谢玉琪、梁建宗、刘福生、唐国兴、赵翼瑜、周铨康、陈曾涤等参加了18-1上未完成的实验工作。
郭广民和李寿康是18-5的实验装置行政领导。臧明昌是技术负责人，他还负责和一号点堆内通量测量系统安装的协调工作。施永长先期到基地花了一年多的时间完成了18-5的土建工程。臧明昌完成台架、回路的总体设计，还设计实验室的主控制台，柴松山负责订货安装调试，陆基庆设计订货安装调试回路的大电磁阀，施永长、柴松山和刘福生负责订货安装调试安全棒和调节棒的驱动机械，我设计模拟安全壳的大桶、回路最终存放硼酸水并装有搅拌器的大水箱，我从大连耐酸泵厂采购两台耐酸泵，其中一台备用。
我们一起完成了18-5的堆芯测量和探测技术方面工作。舒长富、戴永源和杜继友负责元件盒内精细通量测量，房成春、陈志模、周国桢和黄文楼负责宏观元件盒通量分布台架设计和安装测量，后来还有刘天秋、王达清、李映发也参加了这方面的工作。周万福(后改名周获)沈德贵、董木兰、何乾明、曹志琦、陈曾滌等负责通用的含r补偿电离室、正比计数管、r探测仪等等。当时准备了四种的反应性测量方法：陈开惠、黄成汉和章正之负责的脉冲中子源法，杨岐负责反应性模拟机法，后来何乾明和曹志琦也参加了模拟机重要部件的研制和调试。钱纪生负责张仲元协助的Po法，我负责硼中毒法。
当时在18-5的所有实验测量中，反应性的测量是重要部分，如控制棒的积分和微分价值、卡棒价值、有无卡棒时的停堆深度、在各种布置下硼钢棒的总价值等等。我们四人有了幽默的外号：陈开惠叫陈脉冲(老K)，楊岐叫杨模拟、钱纪生叫钱Po、我叫陶PP。为了精确测量水中的硼酸浓度，在基地化学室的帮助下，18-5的二楼建了一个小型的化学实验室。邓川负责由一台机械过滤器加阳、阴和中性三台离子交換柱组成的小型造水车间，生产离子水。为了保护好比黄金还要宝贵燃料元件，化学实验室还负责去离子水的水质分析。
当时我负责的196堆内通量测量系统中电磁安全阀，订货在武汉仪表厂，室里将在武汉锅炉厂生产的04模拟体的接收和修改的任务也交给我。04本体是196和195内装设燃料元件、控制棒和可燃毒物棒等共同组成反应堆堆芯的构架设备，由上下栅格板和连接它们的桶体组成，是核反应堆的核心设备。锅炉厂在正式生产用于196和195的04本体之前，先造一个04模拟体，在专门的保密车间做燃料元件的插拨和各种其他试验，在基地驻武汉办事处龙乐汉的协调下，等二室的同志做完全部04模拟体试验后，将04模拟体移交给我们，准备用武汉锅炉厂设备和技术力量改造加工为零功率实验适用的堆芯构架。
对04模拟体的改造加工大致分为两部分：一是在连接桶体的下部和双层结构下栅板，开了两层排水孔，以減轻本体重量。因为18-5大厅的起重行吊车的负荷并不是很大，完成得比较顺利。第二项是上栅板的扩孔。在1:1零功率实验时燃料元件是需要频繁插拨的。在实际196上装堆时这部分元件盒的上封头是承担密宫式密封功能，不可能将上栅板从04模拟体上拆下来，再上镗床加工孔。厂方的技术人员要请厂里的两位八级钳工手工扩孔。这两位钳工因解放前参加过国民党的历史问题进了“学习班”，被逼无奈下承认参加过。当时国民党的基层头头为了表功，在老工人不知情时将他们的名字报上去了。
龙乐汉拿着毛主席的728批示和中央军委的“特别公函”两把尚方宝剑，将两位老钳工要到我们保密车间。我们立刻给他们每人要了一大碗咸菜面条，给他们讲了这项工程是毛主席关心的国防工程，是政治任务，并交代了我们的技术要求。他们表示一定会好好干，报答解救之恩。他们商量后做了个专用手提砂轮机头，经过约五个白天的细致工作，模具检测完全合乎技术要求。我们特别交代当时的造反派说：两个老工人在完成毛主席和中央军委关心的政治任务期间，表现很好，应该回车间抓革命促生产，不再回“学习班”，造反派头迫于两把“尚方宝剑”威力，也都同意了。
三、忍痛断奶，一定要参加实验并做好堆芯保密工作
1969年底，经过改造后的04模拟体运回18-5，开始了整体实验台架的调试，完成了所有测试工作的准备。全部N合金控制棒和薄壁硼钢管等都已先期运到，得知1970年2月底3月初第一批燃料元件将要运到，李洁也要参加操纵员的工作，忍痛决定让未满百天的儿子断奶，由丈母娘带回西安照管。由于断奶太突然，为她多发性乳腺增生埋下了祸根。为了在09工程中，我们夫妻为能出一份微薄之力感到非常值得，无半点后悔之念。
1970年3月2号，由施永长提货押运的第一批燃料元件到达18-5现场。在彭总的密切关心和韩铎主任周密的安排下，开始了紧张而意义重大的1:1零功率物理实验工作。韩铎主任是彭士禄在莫斯科动力学院的同学，和彭总同时回国。因为1965年初09工程第二次上马之前，两位都在中国科学技术大学反应堆工程物理专业分别教过我们堆热工和堆物理，所以我们一直都习惯称他们为老师。
当时韩老师领导的专业有反应堆物理、计算机、堆热工、水力及堆屏蔽等。到基地后热工和水力学分到五室。反应堆物理又分为理论计算组(室)和堆物理实验组(室)。今后要在196实际装入真正的燃料元件和控制棒，甚至堆芯的上下栅格板和连接圆筒都是和196、195上安装的一模一样的。由最终结果决定展平中子通量需要而采购的可燃毒物棒(薄的和厚的硼钢管)在堆芯插入的多少和位置。在196上真实使用的除燃料元件、控制棒硼钢管等外，上下栅格板的尺寸大小、开孔位置和数量都是与196堆上一模一样，必须要严格保密。所以，从第一个燃料元件架进入18-5大厅起，就有两个班全副武装的战士分四个值勤班三班倒昼夜值勤。
四、不惧核辐射，精心操作，完成前阶段的1:1实验
当时反应堆堆芯物理的设计和实验工作都压在韩老师身上了。按照韩老师的部署，在长达六个多月的时间里，1:1的物理实验大致分为四个阶段。
第一阶段，首当其冲的是最小临界质量或最小临界体积实验，随后才是大半堆芯的核燃料元件(主要是第一流程的元件)装入堆芯，并插入部分控制棒和薄壁硼钢的各种临界实验。这两部分实验结果成为理论物理计算相关程序的首批比较标准。
彭总和韩铎两位老师都亲临现场，与我们实验人员共同战斗了36个小时，十万分小心地完成了最小临界质量实验，得到了理论计算所必要的标准数据。从元件运输架上拆下燃料元件盒，经外部擦洗并外观检查一无半点损伤后，挂上专用工具的吊车，再由专人手扶从一楼平移到实验台架附近，由吊车垂直提升到三楼上平面，再由人手扶到二楼堆芯三楼上平面再下降至堆芯上栅板，从上栅板由人扶着下插进下栅板孔内就位，这一盒燃料元件的吊装过程都有人像保护自己的眼睛一样的保护着。当时推荐我操纵吊车，光学习无㨪动假的燃料元件上升下降，花了近一天的学习实践掌握了无人扶时的平移。
休息期间我发现彭老师脸色不好，老捂着肚子，因我和韩老师都有胃病，一看就知道他一定是胃病犯了。我忙请二位老师到二楼我的办公室，拿出当时夾江特产粗制的厚红糖饼干。我们三人不喝水地干啃，不一会我们三人的胃疼都得到了缓解。彭老师笑着说：嘿!小偏方治大病。从那时起我就知道了彭总也有严重胃病。他在一次核潜艇调试工作中突发急性胃穿孔，胃被切除了四分之三。可是手术后不久，他又忘我地投入工作之中。
在装完所有第一批燃料元件盒和控制棒后，分别测量了在堆芯插入控制棒、既插入控制棒又插八薄壁硼钢管的停堆深度。测量结果证明，这两种堆芯的停堆深度均不能达到预期的要求。不得不紧急採购硼浓度含量比薄壁高十几倍的厚硼钢管，我们又做了十几种插入厚硼钢管堆芯的临界实验，测量停堆深度，供理论计算不断地作初步校核和修正。
第二阶段：1970年4月初全部燃料元件运到现场，开始了全装载的物理实验。用各种厚薄不同的硼钢管摆放在不同位置的燃料元件盒内，在满足一定的停堆深度条件下组成几种不同的反应堆活性区，逐个地做临界实验，以及满足卡棒准则停堆深的实验。测量结果作为标准，不断地用物理理论计算程序的结果来向标准靠拢，有差距就修改计算用的某些参数和改进计算程序，一直到理论计算结果与实验实测值在可接受的范围内为止。
第三阶段：在第二阶段实验结果和不断改进的理论计算程序计算结果符合比较好的基础上，选取了两个堆芯方案为基础方案，做了完整的从零功率提升75%直至100%满功率的模拟实验。提升功率期间确定了功率调节棒的选择和调节带的高度，以及其他控制棒组的提升程序。这一阶段的实验工作量是最大的。主要测量75%和100%两个功率平台上的全堆芯的功率分布，既测量以燃料元件盒为单位的宏观中子通量分布，还有燃料元件盒内以单根元件内的铀芯块为单位的微观精细测量。
当时，测量燃料元件盒的台架和元件盒内精细测量的都只有一套。两人维护台架运行，两人管理测量y伽玛记录仪的运行。由于待测量的元件盒带有较强的放射性，运送燃料元件盒的工作，不让陈雄月、陈雅芝、李洁等女同志参加。还只能由两人一组从大厅手捧着运到测量台架上安装好。燃料元件盒比金子还宝贵，还不能一路上发生任何磕磕碰碰。这两人待测完后还要将元件盒捧回去放到原位。另外两人捧的元件盒待前面两人捧着元件盒离开台架后，马上帮着将元件盒安装在台架上，往返反复将二十几个燃料元件盒测量完为止。测量最紧张时男同胞分成6、7个组。一次是我和施永长捧着元件盒经过控制台背后时，有人碰了他一下，两人一句对一句地吵起来。施永长说：元件比我家宝贝还宝贝一万倍。我们把燃料元件看得比自己的眼睛还要宝贵。若损坏了一盒燃料元件，那就意味着196堆芯不能如期装堆，196工程进度最起码要推迟三个月以上。
由于当时没有处理测量原始数据的计算机程序，几乎都是人工手算，相当繁琐，每盒元件既要经半衰期修正又要经位置的修正。经过差不多4、5天的数据处理，这个装堆方案虽然燃耗初期满足堆功率分布不均匀因子(Kv)远小于3.4的要求，但由于过度压低第一流程的功率，既不能满足热工和水力学的要求，也会缩短反应堆的寿期。由于这两方面原因，韩老师提出第二堆芯布置方案：第一流程的厚壁硼钢管少放些，将那些位置改放薄壁硼钢管，并将中心棒束提高些。我们开始做第二方案的物理实验。按步就班地进行初期的各项物理实验，重点还是模拟燃耗初期100%功率时的全堆功率分布不均匀因子Kv。
五、196堆芯方案的大讨论，理论与实验结合实现满功率运行
正当我们紧张地对第二方案的活性区装堆布置做100%功率下测量全堆功率分布不均匀因子(Kv)最关键参数时，收到了196工程总指挥部的指令：做完最后的零功率实验后尽快将燃料元件运抵196工地现场，以确保7月18号(718批示3周年)使196核潜艇陆上模式堆达到满功率，并特别强调这是政治任务。于是大家紧张地测量完最后一盒燃料元件后，经过仔细清洗，装箱上架装车运走。
紧张地忙禄了两天后才开始处理全堆通量分布不均匀因子Kv的原始数据，经过几天的数据处理，结果把大家惊得冷汗直冒，Kv因子竟然高达3.8!Kv因子就是3.5也是不允许的，也就是说最后的装堆方案是失败的，现在竟然达到了3.8，所以在大家眼里Kv因子已是“惊人”的高了。后来谣传出Kv因子5.8来，这是不可能的，因为韩老师从事反应堆物理工作已经十几年了，既有堆物理理论的造诣，又有几个月来堆芯物理实验所得的实践经验，怎么都不会设计出Kv因子高到5.8这么出奇的堆芯布置来的。
问题出来后，因为燃料元件虽然已经到196现场，但尚没有来得及装堆。韩老师立即招集物理理论计算的同志，根据前几个堆芯布置方案的实验经验，重新制定了一个堆芯布置方案并反复重新进行理论计算，所得结果完全符合要求。堆芯在燃耗初期100%满功率运行时，全堆功率不均匀因子Kv为3.2以下，满足了小于3.4的要求。韩老师将此上报到工程总指挥部。前期因Kv因子“惊人的过高，反应堆是达不到满功率的”传言满天飞，而且这次补充报上来的装堆的活性区方案也没有经过1:1零功率实验的确认，这可是关乎196甚至195反应堆，也直接关乎中国第一艘核潜艇成败的天大的问题啊!
为慎重再慎重的考虑，总指挥部决定邀请国内最具权威反应堆物理专家到基地来讨论应如何决定最终装堆的大难题。应邀来基地的堆物理专家一位是清华大学核工程物理系主任吕应中教授，另一位是原子能研究所(401所)反应堆研究室主任阮可强教授。讨论会议上形成两种意见：一种是认为韩铎提出的方案既然是理论计算出来的，准确性未必是100%的，从技术和科学谨慎态度出发，应将燃料元件重新拉回18-5，重做1:1的物理实验，重点是模拟燃耗初期100%满功率下Kv因子的测量。这条处理意见得到以吕、阮两位教授为首的大多数技术人员的赞同。另一种意见是根据对几个实验过方案和理论计算，按韩老师的最新方案装堆，彭士禄和物理实验代表陈雄月、有军管会和指挥部的领导支持该方案。
在196上物理人员有一关键的堆内通量分布测量系统,可实时地测量堆内热通量分布，实时地改变提棒方式来控制堆内功率分布的不均匀因子Kv。在军管会的支持下，按韩老师最新布置方案196反应堆及时装料，在“718”节点上顺利地实现“196反应堆首次冷态达临界”。经过其他部门同志的共同努力，1970年8月30日196反应堆达到满功率运行。
第四阶段：1970年9月中，195堆的全部燃料元件及其他器件已到18-5。因为195堆芯有七束棒是H合金棒，对热中子的吸收能力比N合金棒要强一些。由于196的堆芯已成功地达到满功率运行，对比地做完全部实验。我们细致地测量了195堆的卡棒准则下的停堆深度、卡棒价值、自动功率H合金调节棒的调节范围、自动功率调节棒的微分价值曲线。对比理论计算与物理实验相结合的差异，物理设计的毛玉姣、刘群物理实验的陈发培、舒长富等联合编写“196”和“195”“反应堆物理设计说明书”。韩铎审核，彭士禄和赵仁凯审定了反应堆物理设计说明书。
六、追本求源，一项创新发明的诞生
反应性仪法在核潜艇上唯一适用的反应性测量的方法。为了给核潜艇反应堆操纵员提供准确完整的堆芯反应性数据，我和杨岐等合作，设计了一个g因子修正线路，创新发明了“ρ值形状法”。在完成18-5、196和195的所有物理实验任务后，花了近一两年的时间从物理理论的“点堆模型”到“时间空间相结合四维模型”。在理论上找到难题的根本原因，又在18-5半高度燃料元件组成的活性区上反复地做了长时间的物理实验。从理论和从实践上解决了近二十年来困扰反应性测量“空间效应”的难题。
工作结束后，我写了“落棒法中的空间效应”的文章，经三所徐銤等反应堆物理专家的推荐发表在中国核学会刊物《核科学与工程》上，获得院内一所、728院、431厂等行内兄弟单位的好评与效仿。1985年，我们共同研制的《可消除空间效应的反应性仪》获国家发明三等奖，我是第一发明人，获发明证书、奖章及奖金。1995年我被“中国当代发明家大辞典”收录。
在909基地，我们自力更生、艰苦奋斗，大力协同创新。我参加中国第一艘核潜艇堆芯的堆外物理工作，有幸在彭士禄和韩铎老师指导下学习工作，我成长为高级工程师，为后来的核动力工作打下了坚实的基础。
1985年10月陶少平获国家发明奖证书和发明奖章的合集
核动力运行研究所采访陶少平的留影
参考文献：
[1]陶少平.追本求源，一项发明创造的诞生.核动力之光——中国核潜艇09人回顾与感悟[M](内部资料).中国核动力研究设计院主办，中国核动力研究设计院老科协承办，主编王海江，副主编李兴汉.2017.6：460-463.
[2]陶少平.中国当代发明家大辞典.中国发明协会编,北京理工大学出版社，1995.12：750.
(作者单位系核动力运行研究所)