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中国自主品牌核燃料包壳材料N36研发和产业化纪实
文章来源:中国核工业报 日期:2018年03月21日

  3月6日,由中核集团核动力院研制的N36锆合金,在西部新锆生产出首个通过专家组鉴定的锆合金铸锭,这意味着中核集团具有自主知识产权的N36锆合金的产业化取得了实质性进展,也标志着N36锆合金燃料包壳批量制造真正开始起步。

  “华龙一号”有了自主知识产权的核燃料元件,才能真正具备“走出去”的底气。而自主品牌的先进核燃料元件,很大程度上是以材料的研发成功为标志的,因此突破材料国产化瓶颈就是重中之重。

  锆合金是目前国际上先进核燃料元件唯一理想的包壳材料,世界核电强国都有自己的锆合金品牌。而我国长期以来一直没有自主品牌锆合金,因此在核燃料的自主制造方面受制于人。

  因为“没有炬火”,他们便去“点燃那唯一的光”。用鲁迅先生的这句话,来形容核动力院人30年痴心研制属于中国人自己的锆合金材料,毫不为过。

  从“八五”到“十三五”,核动力院的科研人员,潜心于我国自主品牌锆合金材料的研制及其产业化。30年守得云开见月明,他们的钻研和奋进,使得我国拥有了能够产业化应用的自主品牌锆合金。

  4个“五年”,40种成分的筛选  众里寻她千百度

  “八五”时期,我国核材料和核燃料元件领域著名科学家、中国工程院资深院士周邦新带领着核动力院核材料所的赵文金等一批中青年,在跟踪国际锆合金的发展过程中,强烈感到:无论如何研究改进锆合金,知识产权始终是国外的。于是,他们提出一个大胆的设想:我国能否突破国外知识产权的包围,搞一个自己的锆合金材料?

  而要研制出对标国际先进水平的新型锆合金,仅凭前期一些性能研究的经验和数据是远远不够的。没有成熟的经验借鉴,面对国外设置的技术壁垒,核动力院的研究人员,从最基本的成分设计、优选开始,厘清其内在规律,一步一步向前摸索。

  周邦新、赵文金、黄德诚等人,先从锆铌系列、锆锡系列中选了40多种成分配方逐一进行分析筛选。配成分、熔炼钮扣锭、分析、加工成小试样、性能试验、筛选试验……每个成分样品都要走这样一个过程,平均耗时要14天,工作枯燥而繁琐。没有现成的工艺实验设备,技术人员就集思广益自己造;没有可借鉴的工艺方法,他们就反复开展各类工艺实验。

  整个“八五”期间,1000多个日日夜夜,他们从40多种合金成份中筛选出25种候选合金,又从25种候选合金中确定了两种新型锆合金。

  进入“九五”、“十五”,赵文金扛起了锆合金研发的旗帜,他们进一步明确了新型锆合金研究的方向,分高铌和低铌两个系列,随即对两个系列展开成分、性能、组织、工艺等的研究。从“钮扣锭”、3公斤级、7公斤级……一直做到了36公斤级铸锭。

  到了“十一五”,一种性能优异的合金材料终于脱颖而出,被命名为N36。“N”代表number,代表new,亦代表NPIC(核动力院英文缩写),“36”则是取自材料成分编号,这是赵文金对这一命名的诠释。N36锆合金正式破壳而出,从此我国有了自己的锆合金牌号。

  2010年5月,锆合金国际会议上,我国锆合金研究的创新成果一经发布,就引起了国外同行的高度关注。

  8年攻关,从200kg到5000kg  为伊消得人憔悴

  2010年,对于N36锆合金研制团队来说,是一个值得铭记的日子。这一年,中核集团积极响应国家“走出去”的战略方针和自主科技创新的号召,启动我国自主知识产权先进燃料组件(CF)研发之际,作为关键核心之一的N36锆合金包壳材料研发由此进入了研制快车道,启动了工程应用化研究。

  如果将N36锆合金实验室成果比作“淘金”的过程的话,那么实验室成果走向产业化应用,就是“淬火打磨,百炼成钢”的一次蜕变过程。在这个艰辛而华美的蜕变过程中,由赵文金领衔的老中青三代科技人员组成的攻关团队,历时八年,走过了一条远超常人想象的艰辛、曲折、漫长之路。

  围绕N36锆合金管棒材研制这个总体目标,在赵文金的主持下,项目组很快拿出来了“三步走”技术路线:即第一步通过较小量级(200kg+60kg)铸锭的工艺探索及优化试验,基本打通N36锆合金管棒材研制的主体工艺路线。第二步在此基础上开展稍大规模(320kg)铸锭的优化工艺验证实验。第三步在优化工艺路线的基础上,开展更大规模(500kg)铸锭的特征化组件和(1000kg)铸锭的先导组件用N36锆合金管棒材研制。

  项目启动之初,赵文金等遇到的最大困难就是:当时国内没有适用于新型锆合金研制及小批量生产的专业化成套生产设施,主体工艺技术研究依靠多家社会企业组合协作开展。他们以西北有色金属院为圆心,在周边找熔炼、锻造、退火、挤压、加工的厂家,和西北有色金属院的既有生产设备以及上海高泰公司的包壳管轧制设备拼凑在一起,攒成了一条像模样的研制生产线。

  既然是拼凑起来的设备,没有专门干过锆合金,更没有专门干过N36,设备的改造难度非常大,设备的技术稳定性和可靠性也差。赵文金和工艺组的同事就亲自动手,吃住在现场,严格开展质量控制和过程控制。这一年,赵文金快60岁了,已满头白发,但不管是在西北的熔炼锻造车间,还是在上海高泰的管材生产车间,人们都能看到他的身影。冬天,在摄氏零下4度的车间里,他和同事们一起扛管坯;夏天,40多度的车间里,汗水湿透了衣衫,他和同事们一起蹲守在轧机前。 

  忘不了2010年200kg+60kg级工艺通关时,从梳理总结一大堆繁杂、零乱的试验数据时的迷茫和困惑,到当日日夜夜冥思苦想提炼出的通关工艺在得到探伤结果的验证和专家认可时的如释重负、欢呼相拥;

  忘不了艰难梳理获得的通关工艺在2011年320kg级工艺验证阶段获得了工艺性能数据重现时所看到的希望之光;

  忘不了CF3特征化组件用500kg级N36锆合金管棒材于2012年在拼拼凑凑的非专业化锆合金管材生产线上制备时经受的挫折和克难攻关,以及最终完成管棒材交付,在国内首次入堆工艺评审时,中核集团领导及院士专家们的高度评价;

  更忘不了2012年,正当大伙儿信心满满地以为N36锆合金产业化工艺一切尽在掌握,却遭遇工艺放大至1000kg级铸锭规模时批量管坯合格率仅有百分之几的挫折!

  又是一年多漫长的试验、失败、再试验、再失败的循环往复。项目进度的压力和委屈反复揉搓、折磨着团队的每一个人,上上下下、里里外外似乎都弥漫着“N36锆合金产业化工艺走不通”的绝望情绪。就在大伙憋着不认输的劲儿、夜以继日地不断重复试验时,一个极易被忽视的细节问题进入研究人员的脑海:非专业化锆合金管材轧制装备的状态不稳定,可能是导致试验失败的主要原因。疑问在反复的试验中得到了验证。关键时刻,赵文金凭借深厚的专业知识和对锆合金长期研究的经验提出,只有在专业化锆合金管材轧制生产线上通过改进加工工艺才能制备出高性能高质量的N36管材,这一想法得到了集团领导和专家的支持。

  2014年,在国核锆业刚建成的专业化锆合金管材生产线上,赵文金等总结前期经验和国际锆合金研究状况,提出了进一步控制杂质含量和改进加工工艺,并设计了N36专有的加工工艺路线和制定了详细的研制实施方案。通过他们的艰苦努力和锆业公司的密切配合,顺利完成了改进工艺的3000kg级管棒材研制,并获得了性能优异的先导组件用N36锆合金管棒材。

  突破工艺瓶颈后的N36锆合金产业化之路渐入佳境,5000kg级N36锆合金管棒材研制顺利完成,用N36管棒材制造的CF3改进型先导组件顺利入堆,标志着合金通过了产业化工艺放大关,实验室“淘出的真金” 历经反复淬炼终得以“成钢”。

  结语:诗酒趁年华

  为加快N36锆合金产业化进程,项目团队在继续完善相关工艺技术研究的同时,根据集团公司安排,紧锣密鼓地着手技术转让相关工作。

  2017年10月23日,在N36锆合金制造技术转让合同签订仪式现场,当核动力院和西部新锆公司正式完成签字的那一刻,核动力院整个N36锆合金研制团队激动万分。

  诗酒趁年华。倾心奋斗二十余载,当年的青年才俊如今已经两鬓斑白,而他们的科研成果——N36锆合金,也终于将去履行属于它的使命,真正实现工程化应用。

  2017年11月23日,在中核集团组织的N36锆合金管棒材研制转批量化生产评审会上,专家们一致认为工业化制备的N36锆合金管材成品率与国际先进水平相当,具有很好的产业化应用前景,为我国三代核电“华龙一号”工程提供了关键材料保障,有力支撑了我国核电“走出去”战略的实现。

  担任专家组组长的李冠兴院士也给予该项目高度评价,他说:“核电强国必须要用我们国家自己的技术,今天,我们终于实现了历史性的跨越发展。这项工作带出了一支真正的、我们自己的研发队伍,从实验室研发转入工业化生产,我们每一步都走得非常平稳,为未来研究走出了成熟的发展思路。”而在评审现场,项目技术负责人赵文金回顾数十年艰辛过往,已经数度哽咽。(杨金凤 原野 黄照华)

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