中國儲能網(wǎng)訊：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(dāng)下，發(fā)展核電成為多個國家的選擇。然而，目前的第三代核電技術(shù)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(dǎo)A專項“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”，試圖研發(fā)用釷做燃料發(fā)電的新一代核電。近日，《中國科學(xué)報》記者來到中科院金屬所，對釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的相關(guān)材料研發(fā)情況進行了探訪。
解決能源危機，發(fā)展更加安全、成本更低、燃料利用率更高的新一代核電技術(shù)，正是這個項目的最終使命。該項目目前由中科院上海應(yīng)物所牽頭，中科院金屬所負(fù)責(zé)這一系統(tǒng)的合金材料制備。
中科院金屬所承擔(dān)的任務(wù)看似不起眼，卻是整套系統(tǒng)的重中之重。在第四代核電站的設(shè)計中，熔鹽（即核燃料載體）堆液態(tài)燃料堆被認(rèn)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(huán)境下工作，其內(nèi)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(yán)格的要求。金屬所董加勝博士、韓維新博士等帶領(lǐng)團隊承擔(dān)了這一任務(wù)，研制出合格的熔鹽堆結(jié)構(gòu)金屬材料。
“這種金屬材料的選擇，一方面關(guān)系到周圍人員和環(huán)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?！倍觿俳榻B說，通過合金成分設(shè)計與優(yōu)化，他們最終研制出符合要求的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(gòu)件，滿足了小功率熔鹽堆合金結(jié)構(gòu)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(nèi)，數(shù)十臺高大的實驗設(shè)備在工作人員的操作下正在有序運行。用于燃?xì)廨啓C、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(chǎn)出來?！昂芏嗪辖鸩牧希鋬?nèi)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(xiàn)問題。要做到這一點，就需要設(shè)計特殊的工藝，并反復(fù)實驗?！倍觿俑嬖V記者。
“我們的工作主要以應(yīng)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(shè)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(fā)平臺，依靠與設(shè)計部門和工業(yè)部門的密切配合開展工作。”董加勝介紹說，目前他們研發(fā)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(yù)計可發(fā)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(tǒng)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(shù)能真正投入商業(yè)運行，可能還需要漫長的過程。上世紀(jì)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(guān)鍵的高溫結(jié)構(gòu)材料進行分析發(fā)現(xiàn)，由于長期在高溫、腐蝕、輻照條件下運行，材料出現(xiàn)了不同程度的損傷，這顯然會對熔鹽堆長期穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅。因此，盡管金屬所突破了GH3535合金及型材的一系列關(guān)鍵技術(shù)，但材料的長期性能穩(wěn)定性仍須經(jīng)受實踐的檢驗。
“這一先導(dǎo)專項的目標(biāo)是，預(yù)計到2020～2030年，我們能掌握相關(guān)核心技術(shù)，建成工業(yè)示范釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)?！睆埥≌f，作為我國重要的先進材料研發(fā)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。
