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跨界融合 聚焦核材料研究新热点
文章来源:中国核工业报 日期:2018年12月19日

  近来,我国在新型核材料与核燃料领域捷报频传:11月24日,干赢国际娱乐自主研发的我国首个满足三代核电要求的锆合金材料——CF3核燃料组件N36锆合金材料首批批量化产品成功下线通过验收,其综合性能指标处于国际先进行列;11月26日,在紧随我国环形核燃料短靶件完成堆内辐照(6次循环)和首套全尺寸压水堆环形燃料组件试验件成功下线验收之后,干赢国际娱乐旗下的中国原子能科学研究院顺利完成全球首次环形燃料零功率物理实验,在这种高性能燃料组件工程化应用研发方面处于领跑状态……

  这些振奋人心的成果再次向世界证明:几十年来,经过几代人的拼搏与奉献,我国建成了较为完整的核材料研发生产体系,成为国际上为数不多掌握核材料研发核心关键技术的国家之一。更为重要的一点是,我国先进核燃料和材料的研制水平从以跟踪为主转向跟踪、并跑、领跑并存的新阶段。

  新时期,新使命。如今,跨界融合与协同创新正在成为核材料研发关注的新热点。围绕这一主题,近期,国防科技工业核材料技术创新中心(以下简称“创新中心”)在京召开第一届核材料技术创新学术会议,180 余名核材料相关技术领域的专家、学者齐聚一堂,密切交流我国核材料研发经验与成果,热切探讨新技术、新方法、新设计在核材料领域的应用,以助力核能行业持续向前发展。

  我国三大核材料领域的技术水平

  一直以来,国际上对于核材料并没有统一的界定,广义上来说核材料是指核工业用材料,包括核能与核武器用材料。但有一点是公认的,核材料是核工业创新发展的物质基础,是核能发展的先导。两者互相依赖,互相促进,一代材料一代装备。核材料研发的深度和广度反映了国家科技与核工业水平。

  创新中心根据自己的理解和研发的需要,将核材料分为核燃料与核工程材料、核特种同位素材料、材料交叉等几个领域,并在此次学术会议上按此分类组织专家学者展现了相关领域的研发成果及未来走向。

  在核燃料与工程材料领域,我国AP/CAP堆型核电关键材料的研发、相关装备制造业整体能力得到提升,三代核电供应链体系已经形成。未来,核材料将向着高纯净度、高综合性能、大型化、一体化、锻件化、智能制造等趋势发展;用于水堆和快堆上的耐事故燃料(ATF)、环形燃料等新型先进燃料将加快进行试验验证研发,尽快实现工程化应用。

  在特种同位素领域,国家紧迫需求的核特种同位素及稳定同位素方面已经具备研发中试规模样机的能力,未来将进一步提高规模化生产水平与经济性。

  在材料交叉学科领域,材料间的跨学科、跨领域交叉融合,是实现核工业颠覆性创新的必然途径,也是核材料创新发展的必然趋势。在材料计算技术方面,目前正在开展反应堆材料和燃料多尺度模拟,开发了CrystalMD等一系列程序,初步实现了反应堆压力容器钢辐照脆化多尺度耦合模拟。在新材料领域,新型核材料不断取得新的突破,正在积极开展纳米核技术、石墨烯、碳化硅及复合材料、特种单晶、多晶、高强韧性材料、超高温材料以及特殊功能材料等应用基础研发。在智能制造方面,增材制造技术进程进一步加快,已开展了3D打印技术在大型构件成型与特殊功能部件整体成型的应用研究。

  但与会专家提醒,尽管取得丰硕成果,但我国核材料研发水平与新时代核强国建设目标相比依然还有较大差距,应围绕国家战略需求,瞄准世界核材料科技前沿,加强顶层谋划与统筹协调,跨界融合、协同创新,努力实现到本世纪中叶核材料技术水平达到世界领先。

  新技术能创造的奇迹

  研究开发先进的核燃料、核工程材料以及新技术、新方法在核材料领域的应用,将起到推动先进核能技术突破、促进多元化应用等作用,助力核能持续向前发展。

  比如,在核燃料和核工程材料领域,开发耐事故燃料(ATF)有利于提高核燃料元件的事故包容能力和固有安全性,可以在较长时间内抵抗严重核事故,延长反应堆事故工况下不干预时间,极大降低直至消除氢爆风险;而有的先进燃料技术,则可以改善燃料循环成本,从而提高核能的经济性。研究核工程材料如核燃料元件的包壳、反应堆内构件、堆压力容器和管道阀门用钢以及核燃料循环中主要环节的关键设备材料,则可以确保核环境服役安全,其已成为核材料研发的紧迫使命。

  而新技术、新方法在核材料领域的应用方面,以纳米核技术、石墨烯和碳化硅的核应用、3D打印技术为代表的颠覆性材料创新,将有力推动核能产业升级到新阶段;核材料的多尺度模拟基因组技术、大数据分析以及各种辐照后检验手段的研发,无疑将大大缩短核材料生产制备和使役性能的研发进度,提高自主创新能力。业界始终认为人工智能将创造下一代核能新材料的奇迹。

  打造核材料研发的高端智库

  能量高度集中、冷却剂介质腐蚀、特殊的中子注量与射线辐射损伤……核材料所处的工作环境极其特殊,因此其除了具备一般工程材料所具有的性能外,还要具有良好的核物理化学性能及很好的环境相容性。比如,核燃料包壳材料作为核反应堆的安全屏障之一,要具有最小中子俘获截面、高导热系数、强度高、韧性好、耐腐蚀、抗辐照、热稳定性好等特性。种种超出一般的特性也决定了核材料自主研发难度很大,建设具有较大影响力和知名度的核材料领域高端智库,不只是为了贯彻国家战略要求,更是行业发展的现实诉求。

  2016年5月,国家国防科技工业局批复依托中国原子能科学研究院成立国防科技工业核材料技术创新中心(系统设计类),开展核材料战略研究与规划、系统创新研究与设计、前沿技术、基础理论研究,致力成为代表国家最佳水平、国际同行认可的核材料创新基地、高端智库与协同创新平台。

  创新中心成立两年来,不断加强组织机构和制度建设,积极探索和完善开放协同的运行机制和运行模式,投入1600万元,组织开展了“新时代核材料技术发展战略研究”等30余项课题研究,重点研发核燃料生产加工关键材料、先进核燃料元件材料与制造、先进与特种反应堆关键材料、乏燃料后处理关键设备材料、高放废物处理处置及包容材料、特种同位素生产、制备和应用的关键材料等,并举办了一系列的学术活动,组织多家机构签署了战略合作协议,初步形成了创新合力。(申文聪)

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