探訪中科院金屬所熔鹽堆結構金屬材料研究團隊

　　 在能源供給日趨緊張，太陽能、光伏等新能源尚無法完全取代化石能源的當下，發展核電成為多個國家的選擇。然而，目前的第三代核電技術仍存在巨大的安全隱患，其使用的鈾資源儲量也有限。

　　針對這一困局，中科院此前啟動了先導A專項“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統”，試圖研發用釷做燃料發電的新一代核電。近日，《中國科學報》記者來到中科院金屬所，對釷基熔鹽堆核能系統的相關材料研發情況進行了探訪。

　　解決能源危機，發展更加安全、成本更低、燃料利用率更高的新一代核電技術，正是這個項目的最終使命。該項目目前由中科院上海應物所牽頭，中科院金屬所負責這一系統的合金材料制備。

　　中科院金屬所承擔的任務看似不起眼，卻是整套系統的重中之重。在第四代核電站的設計中，熔鹽（即核燃料載體）堆液態燃料堆被認為是釷資源利用的理想堆型。但熔鹽堆用材料大多需要在高溫、極強腐蝕和中子輻射等多重極端環境下工作，其內部聚合物也需要在高輻射條件下工作，這對材料本身提出了極其嚴格的要求。金屬所董加勝博士、韓維新博士等帶領團隊承擔了這一任務，研制出合格的熔鹽堆結構金屬材料。

　　“這種金屬材料的選擇，一方面關系到周圍人員和環境的核輻射安全，另一方面其性能影響到釷基熔鹽堆的使用壽命、成本和效益。”董加勝介紹說，通過合金成分設計與優化，他們最終研制出符合要求的、具有自主知識產權的GH3535合金。

　　此外，研究人員突破了GH3535合金軋制、精密成型等工藝難題，將這一材料加工出熔鹽堆所需的板材、管材及焊絲等，并制備出2兆瓦熔鹽堆容器樣件和回路管道構件，滿足了小功率熔鹽堆合金結構材料的需求。

　　研制材料并制成板材、管材的過程，其實需要很多次的試驗和實踐。記者在位于沈陽桃仙機場附近的中科院金屬所中試實驗室看到，高約十幾米的廠房內，數十臺高大的實驗設備在工作人員的操作下正在有序運行。用于燃氣輪機、航空材料、釷基熔鹽堆的各種合金材料，大都從這個廠房生產出來。“很多合金材料，其內部成分必須均勻，以確保其在遭遇外部高溫壓力時不會出現問題。要做到這一點，就需要設計特殊的工藝，并反復實驗。”董加勝告訴記者。

　　“我們的工作主要以應用研究為主。先在實驗室把材料做出來，再在車間將其制備成板材，每一個步驟都需要親自把握。最困難的是很多合金材料的設計制備并無先例可循，我們只能依靠多年的積累，依靠相對簡單的研發平臺，依靠與設計部門和工業部門的密切配合開展工作。”董加勝介紹說，目前他們研發的GH3535合金能耐650攝氏度的高溫和苛刻的熔鹽腐蝕，未來隨著研究的深入，預計可發展出滿足700甚至800攝氏度使用要求的新材料。

　　盡管釷基熔鹽堆核能系統前景誘人，但在中科院金屬所副所長張健等人看來，這項技術能真正投入商業運行，可能還需要漫長的過程。上世紀60年代，美國橡樹嶺國家實驗室曾建成8兆瓦熔鹽增殖實驗堆，但4年后實驗停止。對其中關鍵的高溫結構材料進行分析發現，由于長期在高溫、腐蝕、輻照條件下運行，材料出現了不同程度的損傷，這顯然會對熔鹽堆長期穩定運行構成威脅。因此，盡管金屬所突破了GH3535合金及型材的一系列關鍵技術，但材料的長期性能穩定性仍須經受實踐的檢驗。

　　“這一先導專項的目標是，預計到2020～2030年，我們能掌握相關核心技術，建成工業示范釷基熔鹽堆核能系統。”張健說，作為我國重要的先進材料研發基地之一，中科院金屬所將盡力確保為其提供合格的合金材料。