作者:彭科峰 来源:中国科学报 发布时间:2014-8-14 7:45:23
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新材料助力新一代核电发展
探访中科院金属所熔盐堆结构金属材料研究团队

 

■本报记者 彭科峰

在能源供给日趋紧张,太阳能、光伏等新能源尚无法完全取代化石能源的当下,发展核电成为多个国家的选择。然而,目前的第三代核电技术仍存在巨大的安全隐患,其使用的铀资源储量也有限。

针对这一困局,中科院此前启动了先导A专项“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”,试图研发用钍做燃料发电的新一代核电。近日,《中国科学报》记者来到中科院金属所,对钍基熔盐堆核能系统的相关材料研发情况进行了探访。

解决能源危机,发展更加安全、成本更低、燃料利用率更高的新一代核电技术,正是这个项目的最终使命。该项目目前由中科院上海应物所牵头,中科院金属所负责这一系统的合金材料制备。

中科院金属所承担的任务看似不起眼,却是整套系统的重中之重。在第四代核电站的设计中,熔盐(即核燃料载体)堆液态燃料堆被认为是钍资源利用的理想堆型。但熔盐堆用材料大多需要在高温、极强腐蚀和中子辐射等多重极端环境下工作,其内部聚合物也需要在高辐射条件下工作,这对材料本身提出了极其严格的要求。金属所董加胜博士、韩维新博士等带领团队承担了这一任务,研制出合格的熔盐堆结构金属材料。

“这种金属材料的选择,一方面关系到周围人员和环境的核辐射安全,另一方面其性能影响到钍基熔盐堆的使用寿命、成本和效益。”董加胜介绍说,通过合金成分设计与优化,他们最终研制出符合要求的、具有自主知识产权的GH3535合金。

此外,研究人员突破了GH3535合金轧制、精密成型等工艺难题,将这一材料加工出熔盐堆所需的板材、管材及焊丝等,并制备出2兆瓦熔盐堆容器样件和回路管道构件,满足了小功率熔盐堆合金结构材料的需求。

研制材料并制成板材、管材的过程,其实需要很多次的试验和实践。记者在位于沈阳桃仙机场附近的中科院金属所中试实验室看到,高约十几米的厂房内,数十台高大的实验设备在工作人员的操作下正在有序运行。用于燃气轮机、航空材料、钍基熔盐堆的各种合金材料,大都从这个厂房生产出来。“很多合金材料,其内部成分必须均匀,以确保其在遭遇外部高温压力时不会出现问题。要做到这一点,就需要设计特殊的工艺,并反复实验。”董加胜告诉记者。

“我们的工作主要以应用研究为主。先在实验室把材料做出来,再在车间将其制备成板材,每一个步骤都需要亲自把握。最困难的是很多合金材料的设计制备并无先例可循,我们只能依靠多年的积累,依靠相对简单的研发平台,依靠与设计部门和工业部门的密切配合开展工作。”董加胜介绍说,目前他们研发的GH3535合金能耐650摄氏度的高温和苛刻的熔盐腐蚀,未来随着研究的深入,预计可发展出满足700甚至800摄氏度使用要求的新材料。

尽管钍基熔盐堆核能系统前景诱人,但在中科院金属所副所长张健等人看来,这项技术能真正投入商业运行,可能还需要漫长的过程。上世纪60年代,美国橡树岭国家实验室曾建成8兆瓦熔盐增殖实验堆,但4年后实验停止。对其中关键的高温结构材料进行分析发现,由于长期在高温、腐蚀、辐照条件下运行,材料出现了不同程度的损伤,这显然会对熔盐堆长期稳定运行构成威胁。因此,尽管金属所突破了GH3535合金及型材的一系列关键技术,但材料的长期性能稳定性仍须经受实践的检验。

“这一先导专项的目标是,预计到2020~2030年,我们能掌握相关核心技术,建成工业示范钍基熔盐堆核能系统。”张健说,作为我国重要的先进材料研发基地之一,中科院金属所将尽力确保为其提供合格的合金材料。

《中国科学报》 (2014-08-14 第1版 要闻)
 
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