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跨界融合 聚焦核材料研究新熱點
文章來源:中國核工業報 日期:2018年12月19日

  近來,我國在新型核材料與核燃料領域捷報頻傳:11月24日,中核集團自主研發的我國首個滿足三代核電要求的鋯合金材料——CF3核燃料組件N36鋯合金材料首批批量化產品成功下線通過驗收,其綜合性能指標處于國際先進行列;11月26日,在緊隨我國環形核燃料短靶件完成堆內輻照(6次循環)和首套全尺寸壓水堆環形燃料組件試驗件成功下線驗收之后,中核集團旗下的中國原子能科學研究院順利完成全球首次環形燃料零功率物理實驗,在這種高性能燃料組件工程化應用研發方面處于領跑狀態……

  這些振奮人心的成果再次向世界證明:幾十年來,經過幾代人的拼搏與奉獻,我國建成了較為完整的核材料研發生產體系,成為國際上為數不多掌握核材料研發核心關鍵技術的國家之一。更為重要的一點是,我國先進核燃料和材料的研制水平從以跟蹤為主轉向跟蹤、并跑、領跑并存的新階段。

  新時期,新使命。如今,跨界融合與協同創新正在成為核材料研發關注的新熱點。圍繞這一主題,近期,國防科技工業核材料技術創新中心(以下簡稱“創新中心”)在京召開第一屆核材料技術創新學術會議,180 余名核材料相關技術領域的專家、學者齊聚一堂,密切交流我國核材料研發經驗與成果,熱切探討新技術、新方法、新設計在核材料領域的應用,以助力核能行業持續向前發展。

  我國三大核材料領域的技術水平

  一直以來,國際上對于核材料并沒有統一的界定,廣義上來說核材料是指核工業用材料,包括核能與核武器用材料。但有一點是公認的,核材料是核工業創新發展的物質基礎,是核能發展的先導。兩者互相依賴,互相促進,一代材料一代裝備。核材料研發的深度和廣度反映了國家科技與核工業水平。

  創新中心根據自己的理解和研發的需要,將核材料分為核燃料與核工程材料、核特種同位素材料、材料交叉等幾個領域,并在此次學術會議上按此分類組織專家學者展現了相關領域的研發成果及未來走向。

  在核燃料與工程材料領域,我國AP/CAP堆型核電關鍵材料的研發、相關裝備制造業整體能力得到提升,三代核電供應鏈體系已經形成。未來,核材料將向著高純凈度、高綜合性能、大型化、一體化、鍛件化、智能制造等趨勢發展;用于水堆和快堆上的耐事故燃料(ATF)、環形燃料等新型先進燃料將加快進行試驗驗證研發,盡快實現工程化應用。

  在特種同位素領域,國家緊迫需求的核特種同位素及穩定同位素方面已經具備研發中試規模樣機的能力,未來將進一步提高規?;a水平與經濟性。

  在材料交叉學科領域,材料間的跨學科、跨領域交叉融合,是實現核工業顛覆性創新的必然途徑,也是核材料創新發展的必然趨勢。在材料計算技術方面,目前正在開展反應堆材料和燃料多尺度模擬,開發了CrystalMD等一系列程序,初步實現了反應堆壓力容器鋼輻照脆化多尺度耦合模擬。在新材料領域,新型核材料不斷取得新的突破,正在積極開展納米核技術、石墨烯、碳化硅及復合材料、特種單晶、多晶、高強韌性材料、超高溫材料以及特殊功能材料等應用基礎研發。在智能制造方面,增材制造技術進程進一步加快,已開展了3D打印技術在大型構件成型與特殊功能部件整體成型的應用研究。

  但與會專家提醒,盡管取得豐碩成果,但我國核材料研發水平與新時代核強國建設目標相比依然還有較大差距,應圍繞國家戰略需求,瞄準世界核材料科技前沿,加強頂層謀劃與統籌協調,跨界融合、協同創新,努力實現到本世紀中葉核材料技術水平達到世界領先。

  新技術能創造的奇跡

  研究開發先進的核燃料、核工程材料以及新技術、新方法在核材料領域的應用,將起到推動先進核能技術突破、促進多元化應用等作用,助力核能持續向前發展。

  比如,在核燃料和核工程材料領域,開發耐事故燃料(ATF)有利于提高核燃料元件的事故包容能力和固有安全性,可以在較長時間內抵抗嚴重核事故,延長反應堆事故工況下不干預時間,極大降低直至消除氫爆風險;而有的先進燃料技術,則可以改善燃料循環成本,從而提高核能的經濟性。研究核工程材料如核燃料元件的包殼、反應堆內構件、堆壓力容器和管道閥門用鋼以及核燃料循環中主要環節的關鍵設備材料,則可以確保核環境服役安全,其已成為核材料研發的緊迫使命。

  而新技術、新方法在核材料領域的應用方面,以納米核技術、石墨烯和碳化硅的核應用、3D打印技術為代表的顛覆性材料創新,將有力推動核能產業升級到新階段;核材料的多尺度模擬基因組技術、大數據分析以及各種輻照后檢驗手段的研發,無疑將大大縮短核材料生產制備和使役性能的研發進度,提高自主創新能力。業界始終認為人工智能將創造下一代核能新材料的奇跡。

  打造核材料研發的高端智庫

  能量高度集中、冷卻劑介質腐蝕、特殊的中子注量與射線輻射損傷……核材料所處的工作環境極其特殊,因此其除了具備一般工程材料所具有的性能外,還要具有良好的核物理化學性能及很好的環境相容性。比如,核燃料包殼材料作為核反應堆的安全屏障之一,要具有最小中子俘獲截面、高導熱系數、強度高、韌性好、耐腐蝕、抗輻照、熱穩定性好等特性。種種超出一般的特性也決定了核材料自主研發難度很大,建設具有較大影響力和知名度的核材料領域高端智庫,不只是為了貫徹國家戰略要求,更是行業發展的現實訴求。

  2016年5月,國家國防科技工業局批復依托中國原子能科學研究院成立國防科技工業核材料技術創新中心(系統設計類),開展核材料戰略研究與規劃、系統創新研究與設計、前沿技術、基礎理論研究,致力成為代表國家最佳水平、國際同行認可的核材料創新基地、高端智庫與協同創新平臺。

  創新中心成立兩年來,不斷加強組織機構和制度建設,積極探索和完善開放協同的運行機制和運行模式,投入1600萬元,組織開展了“新時代核材料技術發展戰略研究”等30余項課題研究,重點研發核燃料生產加工關鍵材料、先進核燃料元件材料與制造、先進與特種反應堆關鍵材料、乏燃料后處理關鍵設備材料、高放廢物處理處置及包容材料、特種同位素生產、制備和應用的關鍵材料等,并舉辦了一系列的學術活動,組織多家機構簽署了戰略合作協議,初步形成了創新合力。(申文聰)

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