愿得此身長報國
——記南華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)科領(lǐng)軍人才劉龍成教授

王 輝

2019年，對劉龍成來說是非常特殊但又意料之中的一年。

這一年，在國外從事多年科研工作且早已功成名就的他，毅然放棄了優(yōu)越的發(fā)展條件，回到闊別多年的祖國，為自己在國內(nèi)的研究工作添磚加瓦，重新建立平臺，力圖推動我國在化學(xué)工程、環(huán)境工程與新能源等領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。

他做出的這一選擇出乎了很多人的預(yù)料。要知道，在此之前，他已經(jīng)擔(dān)任瑞典皇家工學(xué)院核廢物工程專業(yè)教授、高級研究員、教研室主任，并且在核廢物工程領(lǐng)域取得了一系列重大成果，成就斐然，發(fā)展前景可謂一片大好。因此，當(dāng)他決定回國重新開始的時候，很多人對此感到十分詫異。

但對于劉龍成來說，這一選擇卻多了些夙愿即將得償?shù)囊馕?。?dāng)年，青春年少、意氣風(fēng)發(fā)的他，為學(xué)習(xí)化學(xué)工程領(lǐng)域的專業(yè)知識，只身遠(yuǎn)赴國外求學(xué)。經(jīng)年苦研及同國際頂尖學(xué)者合作交流的經(jīng)歷，使得他在化學(xué)工程及科研教育等領(lǐng)域的經(jīng)驗沉淀已如一本厚重古籍般豐富。只是，如他坦陳般，只有長期在外的游子，才能更深切地體會到什么叫“越出國，越愛國”。待學(xué)術(shù)大成之后，回國為祖國社會發(fā)展發(fā)力，培養(yǎng)更多科研人才的心愿一直在他腦海中徘徊不去?！白鎳蠛煤由?，人才濟(jì)濟(jì)，憑什么不能在化學(xué)工程領(lǐng)域領(lǐng)先國際？”因此，此番回國，他步步籌劃，決心為中國在化學(xué)工程等領(lǐng)域的研究工作貢獻(xiàn)自己的心力，一償多年來的心愿。

劉龍成

“十年”磨一劍

將時鐘調(diào)撥至24年前，彼時的劉龍成正在進(jìn)行一場頗有意思的面試。負(fù)責(zé)面試的老師是當(dāng)時瑞典皇家工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)教研室的主任。他在核廢物地下處置工程領(lǐng)域取得過眾多出色成果，蜚聲國際，尤其在數(shù)學(xué)模型方面更是成就突出。而當(dāng)時參加面試的劉龍成還只是一位化學(xué)工程領(lǐng)域的“門外漢”，在此之前，他從事的是熱能工程方向的研究，這是兩個看起來并不相同的領(lǐng)域。所以，當(dāng)時還并未成為劉龍成博士導(dǎo)師的教授在情理之中地問出了這個問題：你之前是學(xué)燃燒工程的，如今能搞好化學(xué)工程嗎？

面對學(xué)術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威和“大?！保頌樾氯说膭埑蓻]有膽怯，他略略思索后，流暢地回答道：“我覺得兩者區(qū)別不是太大，燃燒工程涉及的是熱能轉(zhuǎn)換過程，而化學(xué)工程主要涉及的是質(zhì)量轉(zhuǎn)化過程。這兩種過程的數(shù)學(xué)描述是類似的，盡管前者的轉(zhuǎn)化時間是在幾秒之內(nèi)，而化學(xué)工程尤其是核廢物處置工程則要考慮萬年甚至上百萬年的時間長度。從本質(zhì)來講對于兩者數(shù)學(xué)建模的方法及步驟是完全相似的?！边@一別具新意的回答激起了教授的興趣，加上他不畏權(quán)威且有想法的個性，使得教授當(dāng)即做出了決定：讓這個年輕人跟隨自己學(xué)習(xí)化學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域的知識。

那天過后，劉龍成正式跨入了化學(xué)工程的大門，只身來到瑞典皇家工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)。在這之后，作為領(lǐng)域新人的劉龍成，保持了他不盲目迷信科研權(quán)威、堅持自己科研觀點(diǎn)的一貫態(tài)度，而這也使得他快速地在科研工作中獲得了突破性成果。

這次成果起源于一次“失誤”。當(dāng)時劉龍成正在進(jìn)行一項利用密度泛函理論解釋實(shí)驗現(xiàn)象的編程操作，然而在編寫算法時，他將本應(yīng)寫下“./”的地方寫成了“/”。按照大家一直沿用的傳統(tǒng)算法，這是一項失誤。然而，劉龍成卻意外地發(fā)現(xiàn)，按照失誤的計算方法算出的結(jié)果竟比傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確。為什么只有這么一點(diǎn)點(diǎn)差別，計算效率竟會得到如此大幅度的提升呢？首先，劉龍成肯定傳統(tǒng)的計算方法有問題，之后，他開始考慮“./”與“/”在數(shù)學(xué)意義上的區(qū)別，進(jìn)而將其與物理意義聯(lián)系起來，最終他在統(tǒng)計熱力學(xué)密度泛函理論體系中創(chuàng)建了關(guān)聯(lián)函數(shù)加權(quán)法。在應(yīng)用密度泛函理論研究非均勻電解質(zhì)溶液在固液界面附近的雙電層結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)性質(zhì)時，常規(guī)的做法是用均相的本體溶液性質(zhì)來近似地描述位于空間內(nèi)任意兩點(diǎn)的離子間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。關(guān)聯(lián)權(quán)重法則引入權(quán)重的概念，利用一系列本體溶液的性質(zhì)描述使得這一雙離子間的關(guān)聯(lián)函數(shù)更加準(zhǔn)確。

通過這件事情，劉龍成更加深刻地認(rèn)識到，任何錯誤都是有意義的，科研工作者不應(yīng)該盲目迷信權(quán)威，而應(yīng)該在追根問底中尋找真正的答案。而由他創(chuàng)建的關(guān)聯(lián)權(quán)重法也引起了領(lǐng)域內(nèi)不小的轟動，在短時間內(nèi)被大量引用，他也由此在化學(xué)工程領(lǐng)域內(nèi)嶄露頭角。

不過，比起由學(xué)術(shù)成就帶來的榮光，劉龍成更在乎他在研究中不斷挑戰(zhàn)的過程。對他而言，數(shù)學(xué)模型是數(shù)學(xué)知識與計算機(jī)編程等多學(xué)科交叉的一個領(lǐng)域，重點(diǎn)考驗的是人的邏輯思維能力。而身為一名開展數(shù)學(xué)模型研究的科研工作者，要做的就是通過計算機(jī)，將腦中的邏輯思維呈現(xiàn)在模型或應(yīng)用程序上面，這是一種邏輯思維與計算機(jī)編程的美妙結(jié)合。“如果你的設(shè)想和邏輯思維非常精妙，那么呈現(xiàn)出來的模型也將十分精妙?！眲埑烧Z氣篤定地說道。

在一次又一次的自我提升和挑戰(zhàn)中，劉龍成創(chuàng)新性地開發(fā)了一套商用軟件包——Couple，用來解決核廢物地下處置庫近場與遠(yuǎn)場核素遷移整合模型的建立問題。這是一個十分復(fù)雜且學(xué)術(shù)性極高的軟件，但在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，該軟件常由專業(yè)素養(yǎng)不高的工作人員操作。操作人員如果不能熟練地和軟件溝通，最終的模擬結(jié)果極易出現(xiàn)問題?？紤]到這個問題，劉龍成創(chuàng)新性地為軟件開發(fā)了更為通俗易懂的用戶界面，極大地降低了操作人員的工作難度，提高了軟件的應(yīng)用效率。該軟件包已被SKB（瑞典核燃料及核廢料管理公司）成功地應(yīng)用于2個場址的安全及性能評估工作中。而這，正是劉龍成不斷挑戰(zhàn)自己的成果。

通過不斷鉆研，劉龍成逐漸在化學(xué)工程領(lǐng)域取得了一系列成果，并且開展了關(guān)于“膨潤土的侵蝕行為：對工程屏障和放射性核素遷移的長期性能影響”的項目研究。所謂膨潤土，是指以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn)。對核廢物地下處置庫的安全評估表明，膨潤土膠體的形成和穩(wěn)定性對處置庫的整體性能將產(chǎn)生直接影響。在該項目中，劉龍成對膨潤土表面侵蝕的主要機(jī)制及不同條件下可能的侵蝕程度、不同地球化學(xué)條件下的黏土膠體穩(wěn)定性，以及膠體、放射性核素和圍巖之間的相互作用進(jìn)行了深入且細(xì)致的研究，最終，為在處置庫的長期性能評估中如何考慮膠體的作用和相關(guān)現(xiàn)象，以及處置庫的安全性評估如何處理等潛在問題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

在諸多成果的加持下，劉龍成在學(xué)術(shù)界的影響力不斷上升，并且由一名普通的留學(xué)生成長為瑞典皇家工學(xué)院核廢物工程專業(yè)教授，繼承導(dǎo)師的衣缽成為學(xué)院該專業(yè)教研室的主任，指導(dǎo)學(xué)生開展相關(guān)學(xué)術(shù)研究。

眼看已經(jīng)學(xué)術(shù)大成，但劉龍成卻陷入了沉思。他開始越來越頻繁地想念遠(yuǎn)在亞歐大陸另一端的祖國，他的目光也越來越多地關(guān)注國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。事實(shí)上，過往在國外獨(dú)自奮斗的這些年中，他心中對祖國的掛念自始至終就沒有斷過，包括后來可以指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)時，他也總是會盡力地給中國留學(xué)生機(jī)會。但他心里認(rèn)為，這還不夠，他想要培養(yǎng)更多的中國學(xué)生。同時，由于長期以來一直關(guān)注著國內(nèi)的發(fā)展，他敏銳地注意到，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展，中國在化學(xué)工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域的發(fā)展開始加快，正是急需相關(guān)人才的時刻。

恰逢此時，中國原子能科學(xué)研究院院長助理張生棟研究員了解到劉龍成在化學(xué)工程領(lǐng)域所取得的一系列重要成就，大力邀請他回國開展相關(guān)研究工作。原子能科學(xué)研究院是中國核科學(xué)技術(shù)的發(fā)祥地，以及國防核科研、核能開發(fā)研究和核基礎(chǔ)科研的創(chuàng)新基地，對于想要回國為國家發(fā)展貢獻(xiàn)自身力量的劉龍成而言，這里無疑是一處絕佳的科研平臺。因此，在經(jīng)過一番縝密的思慮過后，他果斷地答應(yīng)了以客座研究員的身份回國來到中國原子能科學(xué)研究院從事化學(xué)工程、環(huán)境工程與新能源等領(lǐng)域的研究工作，一償多年來的報國夙愿。

科研未敢忘憂國

回到國內(nèi)，對劉龍成來說，是一場任重而道遠(yuǎn)的攻關(guān)之路。

在核電大發(fā)展的時代背景下，地下核廢物的安全處置問題成為懸在各國心頭上的“達(dá)摩克利斯之劍”。要知道，在核工業(yè)廢物中，97%屬于中低放廢物，剩下的3%，含有多種對人體傷害極大的高濃度放射性核素，其中的钚元素，只需攝入10毫克就足以致人斃命。因此，如何安全地解決核廢物的地下處置就成為各國需要重點(diǎn)考慮的問題，但在該研究領(lǐng)域，中國尚屬于發(fā)展的初步階段。因此，劉龍成回國后首先要做的就是結(jié)合自己數(shù)十年來在國外學(xué)習(xí)積累的先進(jìn)專業(yè)知識，推動中國在地下核廢物的安全處置領(lǐng)域，尤其是反應(yīng)運(yùn)移數(shù)值模型的開發(fā)與應(yīng)用方面的研究進(jìn)展。“我們不僅要注重實(shí)驗技術(shù)的發(fā)展，還應(yīng)該重視基礎(chǔ)理論及數(shù)學(xué)模型的研究?！眲埑梢馕渡铋L地提出。

除此之外，劉龍成還將繼續(xù)開展關(guān)于黏土膠體化學(xué)，即膨潤土凝絮及膨脹性質(zhì)、膨潤土侵蝕行為及其危害的研究。所謂膠體，指的是分散質(zhì)粒子直徑在1nm～10mm之間的分散系，且通常帶有電荷。對于地下有機(jī)質(zhì)、重金屬，以及核素等污染來說，黏土膠體的存在極大地增強(qiáng)了污染元素在地下的遷移速度，且這種增強(qiáng)效率是非常驚人的?！叭绻叵碌暮怂匦枰谝荒甑臅r間遷移到達(dá)地面的話，那么在膠體的影響下，它們將會在數(shù)天的時間內(nèi)到達(dá)地面?！倍鴦埑梢龅?，就是研究清楚膠體與土壤、巖石等介質(zhì)相互作用的機(jī)制及原理，并將其運(yùn)用在核素遷移等預(yù)測模型中，以更加準(zhǔn)確地對土壤的污染狀態(tài)及速度進(jìn)行評估，并為其修復(fù)方案提供切實(shí)的建議。

事實(shí)上，關(guān)于土壤的修復(fù)問題，一直是劉龍成回國后壓在心頭的一塊巨石。自改革開放以來，中國的工業(yè)發(fā)展迅速，在為社會產(chǎn)出巨大利益的同時也不可避免地加重了對土地的污染。過去國內(nèi)常用的處理方法是以新土換舊土，但這是一種治標(biāo)不治本的方法，要知道，表面能觀察到的被污染的土壤范圍可能只是污染的核心區(qū)，但隨著污染元素的遷移，污染的波及范圍可能更廣更深。這種情況下，就需要通過采樣將其與專業(yè)的數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來，通過一系列的復(fù)雜算法推測污染物的波及范圍，然后再結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等方面的考慮，制訂出切實(shí)可行且有效的治理方案。這樣一套系統(tǒng)而完整的制訂修復(fù)方案的流程，在瑞典等國家已經(jīng)應(yīng)用得相當(dāng)熟練。因此，自回國后，劉龍成便一直在努力，希望將該領(lǐng)域的相關(guān)先進(jìn)經(jīng)驗在國內(nèi)推廣開來?！爸挥袑栴}解決得更加徹底，才能不為后代子孫留下隱患?！眲埑烧f道，而他要做的，就是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出更加科學(xué)客觀的修復(fù)方案，為相關(guān)部門制訂客觀、有效的決策提供重要參考依據(jù)。

除土壤修復(fù)外，劉龍成還將研究目光投向了再生能源方向。在百川匯聚、低流入海處，大容量的淡水與鹽分高的海水交匯，這樣具有鹽度濃度差的地方就是劉龍成發(fā)揮科研作用的絕佳環(huán)境。他利用濃度梯度法，通過周期性交換兩種不同鹽度的水溶液，用沉浸于反應(yīng)器中的活性炭電極間產(chǎn)生電升壓的方式來獲得大量電能。值得一提的是，該方法并不限于海水和淡水，在化工廠或熱電廠等場所同樣可以應(yīng)用。這不僅完成了能源的綠色產(chǎn)出，還實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)廢物及廢熱的有效利用。

解決了關(guān)于電能的產(chǎn)出問題，劉龍成自然會考慮到關(guān)于電能的儲藏問題。在尚未回國之時，他便十分關(guān)注國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展需求，并和北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)合作，開展了針對鋰離子電池健康及容量狀態(tài)估算方法的研究。通常我們了解到的通過風(fēng)能或太陽能這種新能源發(fā)電方式產(chǎn)生的電能，國內(nèi)主要是利用電動汽車行業(yè)淘汰下來的鋰離子電池來進(jìn)行儲藏，將相當(dāng)數(shù)量的鋁電池結(jié)合起來，形成大的儲電模塊。盡管該方法解決了鋰離子電池的回收問題，但在使用過程中卻面臨著非常嚴(yán)重的問題，那就是儲電模塊的“短板效應(yīng)”。在一個大的儲電模塊中，所有回收后的鋰離子電池容量狀態(tài)是不盡相同的，那么儲電模塊的容量上限就是由其中一塊容量最小的鋰離子電池決定的。如何準(zhǔn)確地對每塊鋰離子電池的健康狀態(tài)和容量狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，成為解決該新能源儲藏問題的關(guān)鍵。因此，劉龍成要做的，就是通過建立相應(yīng)的等量電動模型，結(jié)合一系列復(fù)雜的計算，從而得到對鋰離子電池相關(guān)狀態(tài)的正確評估。

不難看出，無論是地下核廢物的安全處置問題、黏土膠體化學(xué)問題，還是新能源儲藏等問題，都離不開數(shù)學(xué)模型的建立和仿真。事實(shí)上，這也確實(shí)是劉龍成推動基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用研究時的一大利器。多年來的研究經(jīng)歷，使得他比旁人更清楚這一利器蘊(yùn)含的巨大作用。因此，此番回國，除了將在上述領(lǐng)域開展一系列相關(guān)工作外，他還將致力于數(shù)學(xué)模型在我國教育及研究領(lǐng)域的提高?！拔ㄓ袑?shí)驗結(jié)果上升到數(shù)據(jù)分析及理論探索層面，研究工作才能走得更遠(yuǎn)更深。”劉龍成說道，這是他對科研的認(rèn)識，也是他希望在國內(nèi)看到的局面。

團(tuán)隊合影

長風(fēng)破浪會有時

無論是關(guān)于化學(xué)工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域研究工作的開展，還是關(guān)于數(shù)據(jù)模型的推廣，都離不開合適的平臺，就好比月亮只有立足于太空中，才能借助太陽的光，反射出更高的亮度，使光芒普及到更多的世人身上。事實(shí)上，回國之后，劉龍成開展科研工作的平臺除了中國原子能科學(xué)研究院外，還有南華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。

回國不久之后，劉龍成曾前往南華大學(xué)進(jìn)行相關(guān)研究領(lǐng)域的交流訪問，其間，他提到應(yīng)對核科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生加強(qiáng)數(shù)據(jù)模型方面的培養(yǎng)，這一觀點(diǎn)引起了南華大學(xué)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的重視。原來，核工程與核技術(shù)專業(yè)一直是學(xué)校十分重視的特色專業(yè)，長期以來，學(xué)校都十分注重該專業(yè)科研實(shí)力的提升，并且希望能夠培養(yǎng)具備從事核工程與核技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計、研發(fā)、工程、生產(chǎn)等工作所需的扎實(shí)專業(yè)理論知識、專業(yè)技術(shù)知識和實(shí)踐與創(chuàng)新能力的專業(yè)人才，而劉龍成的觀點(diǎn)正好契合了南華大學(xué)在該領(lǐng)域的發(fā)展需求。

因此，訪談第二天，南華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長趙立宏教授找到劉龍成，與其商談了許久，懇切地邀請他來南華大學(xué)從事教研工作，助力學(xué)校提高在核領(lǐng)域的研究及教學(xué)水平。訪問結(jié)束之后的一星期，趙立宏院長又親自從衡陽趕赴北京，邀請劉龍成再次前往南華大學(xué)講學(xué)，并進(jìn)一步討論合作事宜。在第二次講學(xué)期間，南華大學(xué)張灼華校長特意接見了劉龍成，希望引進(jìn)劉龍成為學(xué)科領(lǐng)軍人才。

古有“三顧茅廬”求才之說，如今南華大學(xué)高層多次誠摯邀請劉龍成加入學(xué)校，其誠意已十分明顯。而對于劉龍成來說，這也是一次實(shí)現(xiàn)他心中想法的機(jī)會。早在瑞典從事教研工作時，劉龍成就敏銳地發(fā)現(xiàn)了中國留學(xué)生與國外學(xué)生的差異?！爸袊膶W(xué)生在學(xué)習(xí)成績和科研領(lǐng)悟能力方面絲毫不遜于國外優(yōu)秀學(xué)生，但往往因受限于對權(quán)威人士的敬畏而不敢提出自己的觀點(diǎn)，從而導(dǎo)致缺乏創(chuàng)新能力?！眲埑筛锌卣f道。除此之外，他還發(fā)現(xiàn)，來自國內(nèi)的學(xué)生對數(shù)據(jù)模型方面的研究缺乏重視。而多年的研究經(jīng)驗告訴他，缺乏對數(shù)據(jù)的分析，實(shí)驗的發(fā)展空間也會受限。因此，系統(tǒng)而專業(yè)地培養(yǎng)學(xué)生在核科學(xué)領(lǐng)域，尤其是數(shù)據(jù)模型方向的研究能力，成為劉龍成一直以來的心愿：“當(dāng)年在國外受限于種種原因，能夠培養(yǎng)的中國學(xué)生有限。如今，我想用事實(shí)證明，只要提供足夠開放且優(yōu)質(zhì)的研究與教學(xué)環(huán)境，中國的學(xué)生在核科學(xué)領(lǐng)域的研究水平不會低于世界任何一個國家的學(xué)生，并且同樣能夠研發(fā)出足夠先進(jìn)的科研成果?！?/p>

如今，借助于中國原子能科學(xué)院與南華大學(xué)兩大平臺，劉龍成正在穩(wěn)步地推動著自己的科研規(guī)劃。他在南華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院營造開放、活躍的教學(xué)環(huán)境，多種措施并行，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并帶動學(xué)校在核科學(xué)研究方向上的發(fā)展。同時，他還以兩大科研平臺為基礎(chǔ)，致力于解決國內(nèi)核廢物在地下的安全處置問題、黏土膠體化學(xué)問題，或者是新能源儲藏等方面存在的問題，為祖國的長遠(yuǎn)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

所謂大家，必是將領(lǐng)域發(fā)展，以及祖國和人民放在自己前面的人。對劉龍成而言，幾十年科研路上的風(fēng)風(fēng)雨雨已經(jīng)走過。此番回國，正是利用所掌握的先進(jìn)科研技術(shù)為國家發(fā)展貢獻(xiàn)力量的時候。因此，無論未來道路上還會遇到多少艱難險阻，他都會不遺余力地繼續(xù)往前走下去。