鋯合金是目前軍用艦船核動力和商用壓水堆燃料元件包殼唯一可選材料。國內(nèi)尚無實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的鋯合金，長期依賴進(jìn)口受制于人，是我國關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的短板之一，必須開展自主知識產(chǎn)權(quán)先進(jìn)鋯合金研發(fā)。中國核動力研究設(shè)計(jì)院在30 年來鋯合金研發(fā)積累的基礎(chǔ)上，充分借鑒國際先進(jìn)鋯合金研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，歷經(jīng)10 年的艱苦科研攻關(guān)，以軍民結(jié)合為指引，成功實(shí)現(xiàn)了N36 鋯合金工程化。本文介紹了N36 鋯合金自主化的背景、總體思路、研產(chǎn)歷程、相關(guān)成果。鋯合金自主研產(chǎn)成功，使得我國獲得了完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。這有利于保障軍用核級鋯合金包殼的穩(wěn)定供應(yīng)，有利于保證中國核電站的運(yùn)行和發(fā)展以及軍用核動力材料供應(yīng)安全，具有典型的軍民結(jié)合示范意義。
1、引言
核電作為一種清潔高效能源，發(fā)展核電是當(dāng)前我國堅(jiān)定不移的能源發(fā)展戰(zhàn)略方針。核燃料元件是核反應(yīng)堆的核心部件，對反應(yīng)堆安全性和可靠性有極其重要的影響，包殼是核反應(yīng)堆的第一道安全屏障。
鋯合金在高溫高壓環(huán)境下具有低的中子吸收截面和良好的綜合性能，是目前主流核反應(yīng)堆唯一工程化應(yīng)用的包殼材料。為滿足核電技術(shù)發(fā)展對燃料元件長壽期、高安全、高可靠性的要求，世界各國大力開展先進(jìn)鋯合金的研制并加速推廣工程化應(yīng)用。以往我國鋯合金包殼材料的供應(yīng)長期依賴進(jìn)口，“受制于人”，是我國基礎(chǔ)材料領(lǐng)域的短板之一，要實(shí)現(xiàn)我國核電跨越式發(fā)展，保障能源安全，必須實(shí)現(xiàn)先進(jìn)鋯合金材料自主化。
黨的十八大提出實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)科技創(chuàng)新是提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐，必須擺在國家發(fā)展全局的核心位置。黨的十八大把堅(jiān)持走軍民融合式發(fā)展路子等寫入了黨的綱領(lǐng)性文件。十九大報(bào)告中指出：科技軍民融合作為國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、軍民融合深度發(fā)展戰(zhàn)略和改革強(qiáng)軍戰(zhàn)略的交匯點(diǎn)，是黨中央對科技創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略部署。在此背景下，以科技創(chuàng)新為驅(qū)動，以軍民融合為途徑，補(bǔ)齊短板，開展高性能鋯合金研發(fā)迫在眉睫。
中國核動力研究設(shè)計(jì)院從“八五”開始就在國內(nèi)率先針對我國壓水堆燃料元件包殼的腐蝕問題，同時(shí)跟蹤國際上鋯合金的發(fā)展趨勢，提出了開展高性能鋯合金研究的建議。由原先主要集中在包殼材料性能研究向全過程材料研發(fā)轉(zhuǎn)變，歷經(jīng)“八五”到“十五”等科研先后完成了成分篩選和優(yōu)化、工藝研究、顯微組織研究、堆外腐蝕性能及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)等。借助國內(nèi)社會協(xié)作單位實(shí)現(xiàn)了中試規(guī)模工藝研究，并依托中國核動力研究設(shè)計(jì)院整體優(yōu)勢開展了堆內(nèi)外性能研究。在這些系統(tǒng)性的、規(guī)模開展的實(shí)驗(yàn)研究中，一種性能優(yōu)異的、適
用于壓水堆電站水質(zhì)環(huán)境的合金材料脫穎而出，即N36鋯合金，成功申報(bào)了成分專利和注冊商標(biāo)，為N36鋯合金工程化奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。
2、N36 鋯合金工程化
2.1 N36 鋯合金工程化總體思路
為保障國家能源供應(yīng)安全，國家國防科技工業(yè)局和中國核工業(yè)集團(tuán)公司于2010 年分別批復(fù)了壓水堆燃料元件設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究（第二階段）等項(xiàng)目，正式啟動了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的N36 鋯合金工程化制備技術(shù)研究。研究目標(biāo)定位立足國內(nèi)資源、借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，完成N36 鋯合金的自主化研究，達(dá)到工程應(yīng)用。N36 鋯合金工程化總體思路為，以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略為統(tǒng)領(lǐng)，構(gòu)建并實(shí)施軍民融合型鋯合金研發(fā)體系，中國核動力研究設(shè)計(jì)院牽頭聯(lián)合國內(nèi)具有研發(fā)鋯合金包殼材料的產(chǎn)業(yè)化能力的單位，在軍用鋯合金研發(fā)的基礎(chǔ)上，開展N36 鋯合金的工程化應(yīng)用研究，研制出具有工業(yè)規(guī)模工藝代表性的N36鋯合金管棒材，并開展入堆輻照考驗(yàn)，獲得N36 鋯合金包殼材料的堆內(nèi)外性能數(shù)據(jù)，最終在專業(yè)化鋯合金生產(chǎn)線上實(shí)施N36 鋯合產(chǎn)業(yè)化。
2.2 N36 鋯合金自主研產(chǎn)歷程
中國核動力研究設(shè)計(jì)院在30余年鋯合金研發(fā)積累的基礎(chǔ)上，依托反應(yīng)堆燃料及材料國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)平臺，充分借鑒國際先進(jìn)鋯合金研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通過開展200kg級工藝探索、300kg 級工藝驗(yàn)證、500kg 級和1000kg 級工藝放大、3000kg 級工藝優(yōu)化和5000kg 級工藝定型以及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)轉(zhuǎn)讓開展工程化小批量入堆產(chǎn)品生產(chǎn)等階段研究工作（見圖1），同時(shí)系統(tǒng)深入研究了合金熔煉、均勻化處理、擠壓、軋制等關(guān)鍵工藝參數(shù)對組織與性能的影響，歷經(jīng)9 年的艱苦科研攻關(guān)，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了從海綿鋯到成品管棒材的全線工藝貫通、固化了制備工藝，制備出的N36鋯合金材料分別制造了特征化燃料組件和先導(dǎo)組件并入“秦山二期”商業(yè)堆開展輻照考驗(yàn)；獲得了全面N36鋯合金堆內(nèi)、外性能數(shù)據(jù)，全面完成了研究任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了研究目標(biāo)。
2.3 N36 鋯合金工程化研究成果
通過N36 鋯合金自主化研究項(xiàng)目，在鋯合金制備工藝方面和性能研究方面均取得了突破性的進(jìn)展，并圍繞鑄錠成分均勻性、鑄錠制備工藝、管棒材制備工藝和鋯合金性能試驗(yàn)等方面進(jìn)行了專利布局，完成專利22 件申報(bào)，其中發(fā)明專利14 件，實(shí)用新型專利8 件。專利布局所負(fù)載的知識產(chǎn)權(quán)也為軍民融合深度發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能更好地兼顧軍用
效益與民用效益之間的平衡。
通過系統(tǒng)的開展鑄錠制備工藝研究、擠壓工藝研究、軋制等工藝研究，獲得了管棒材加工過程中工藝、組織和性能之間的關(guān)系，掌握了加工過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)對材料性能影響的機(jī)理，重點(diǎn)突破了添加返回料的鑄錠制備、低溫慢速擠壓、大變形軋制等關(guān)鍵技術(shù)，申請并受理工藝發(fā)明專利三項(xiàng)。獲得了適用于N36 鋯合金工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的包殼管棒材制造技術(shù)。
研制了N36 特征化燃料組件，N36先導(dǎo)燃料組件用N36 鋯合金管棒材，產(chǎn)品成品率穩(wěn)步提升（見圖2），與國際先進(jìn)水平相當(dāng)，性能指標(biāo)優(yōu)異達(dá)到國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好。
形成了完整的N36 鋯合金制備工藝文件和規(guī)范，構(gòu)建了完整的鋯合金性能分析評價(jià)方法和體系，獲得了全面的N36 鋯合金堆內(nèi)外性能數(shù)據(jù)。堆外性能數(shù)據(jù)表明，N36鋯合金與傳統(tǒng)Zr-4 合金比較，拉伸與爆破性能與Zr-4 合金相當(dāng)，堆外耐腐蝕性能、抗蠕變性能、低周疲勞性能以及抗高溫氧化性能等優(yōu)于Zr-4 合金。經(jīng)堆內(nèi)3個(gè)循環(huán)輻照考驗(yàn)后池邊檢查結(jié)果表明，組圖 1 N36鋯合金工程化應(yīng)用研究歷程圖 件結(jié)構(gòu)完整 ；氧化膜均勻致密，最高燃耗區(qū)域燃料棒氧化膜最大厚度77μm ；兩個(gè)循環(huán)的抗輻照生長及蠕變性能優(yōu)于成熟商用合金（見圖3）。輻照數(shù)據(jù)表明，N36 鋯合金具有優(yōu)良的抗輻照性能。
2.4 關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新
N36 鋯合金研制工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大。在研制過程中完成了制備工藝和性能分析評價(jià)技術(shù)攻關(guān)，突破了合金制備等五大關(guān)鍵技術(shù)，一是突破了返回料添加、合金元素添加方式和布料方式的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的鑄錠成分均勻性控制；二是突破了擠壓筒設(shè)計(jì)技術(shù)、擠壓工藝和涂層潤滑等技術(shù)難點(diǎn)，掌握了N36 鋯合金特有的低溫慢速擠壓技術(shù)；三是研究了Q值等軋制工藝參數(shù)對管材綜合性能的影響，掌握了N36 鋯合金管材大變形軋制技術(shù)；四是確定了N36鋯合金中間退火及成品退火的低溫技術(shù)路線；五是研發(fā)了6 臺套鋯合
金關(guān)鍵特殊性能試驗(yàn)裝置，突破了N36 鋯合金堆外應(yīng)用性能評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和技術(shù)創(chuàng)新，為N36 鋯合金工程化應(yīng)用建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)，也為軍用鋯合金研發(fā)提供了強(qiáng)有力的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐。
3、 N36 鋯合金工程化成功的意義
3.1 保障軍用核級鋯合金自主可控
軍用核級鋯合金使用環(huán)境惡劣，對材料性能及質(zhì)量要求極高，事關(guān)裝備先進(jìn)性、安全性及可靠性。軍用核級鋯合金技術(shù)是軍用艦船反應(yīng)堆技術(shù)的核心之一，國外對此嚴(yán)格保密控制，無法從國外引進(jìn)。
中核集團(tuán)肩負(fù)著軍用核動力研發(fā)的歷史重任，但關(guān)鍵材料鋯合金研發(fā)和生產(chǎn)卻游離于反應(yīng)堆核心技術(shù)以外，已成為裝備發(fā)展“瓶頸”之一。并且，由于軍用核級鋯合金的特殊
使用工況及性能要求，在其他材料領(lǐng)域廣泛采用的民口配套模式恰恰制約了軍用鋯合金的研發(fā)及工程化應(yīng)用。因此，以中核集團(tuán)為主體組建從研發(fā)、工程化試制到生產(chǎn)的完整的軍用鋯合金產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了軍用鋯合金的技術(shù)發(fā)展，并確保軍用鋯合金的穩(wěn)定供給。
3.2 保證中國核電能源安全
國內(nèi)核電用高性能鋯合金都是從國外引進(jìn)，未來我國對鋯合金的需求量非常大，在此之前，我國沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋯合金材料，難以保障自主供給。N36 鋯合金等一批典型材料的自主化研發(fā)成功，掌握了鋯合金生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，建立了具有主動權(quán)的鋯合金產(chǎn)業(yè)鏈，解決了制約核電發(fā)展的鋯材生產(chǎn)問題。中核集團(tuán)深厚的技術(shù)沉淀和積累，最有條件成為我國自主品牌鋯合金研發(fā)和生產(chǎn)的龍頭，這對避免受制于人、擺脫行業(yè)壟斷、提升我國核電能源安全具有重大的戰(zhàn)略意義。
4、啟示
在軍民融合深度發(fā)展戰(zhàn)略的深入推動下，中國核動力研究設(shè)計(jì)院成功研制N36 鋯合金并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，有力支撐了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)“華龍一號”的研發(fā)，對保障我國核電安全發(fā)展、促進(jìn)核電“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，推進(jìn)核燃料產(chǎn)業(yè)軍民融合具有重要意義。N36 鋯合金實(shí)現(xiàn)工程化獲得成功，是貫徹以習(xí)近平總書記為核心的新一代黨中央號召下的軍民融合國家戰(zhàn)略，以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略為統(tǒng)領(lǐng)，加快形成全要素、多領(lǐng)域、高效益的軍民融合深度發(fā)展格局的一個(gè)深刻體現(xiàn)，給予了我們很大的啟示。
一是在關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的研發(fā)方面，需堅(jiān)定不移地貫徹執(zhí)行軍民融合深度發(fā)展戰(zhàn)略，堅(jiān)持“軍民融合”式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)科技軍民融合。
二是N36 工程化產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)性達(dá)到國際先進(jìn)水平，提升了我國鋯合金研發(fā)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新能力和軍民兩用核燃料元件研發(fā)能力，技創(chuàng)新是社會發(fā)展之根本。
三是N36 鋯合金實(shí)現(xiàn)工程化，有力支撐了我國核電“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，其研發(fā)經(jīng)驗(yàn)為軍用鋯合金提供了有力支撐，為提升國防安全提供了堅(jiān)實(shí)保障，軍民融合是發(fā)展之路。
四是N36 鋯合金科研成果成功實(shí)現(xiàn)了向制造企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)化，表明要打造強(qiáng)有力的科技創(chuàng)新體系，科技成果轉(zhuǎn)化是重點(diǎn)。注：隨著時(shí)代的發(fā)展，文中軍民結(jié)合如今已被軍民融合替代。
(卓 洪 邱紹宇 趙文金 鄧傳東， 作者單位：中國核動力研究設(shè)計(jì)院第四研究所)
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