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赵文金“锆”儿育成记
——中国核用锆合金是怎样炼成的(上)

2022-06-15 08:40:00银河galaxy娱乐

  编者按
  赵文金,中国核动力研究设计院锆合金材料研发项目总设计师,1986年开始接触锆合金的基础研究工作,从确定合金配方到反复试验印证性能,再到工程化批量生产……他率领团队用了近40年时间研制出拥有自主知识产权、性能位居国际前列的N36锆合金包壳管,解决了“华龙一号”的“中国芯”——CF3燃料组件中最重要的材料难题。这种直径9.5毫米、管壁厚度不到1毫米、长近4米的锆合金包壳管是核电站安全的第一道屏障,而该技术目前只被世界上少数几个国家所掌握。
  本期和下期,本版分别刊发《赵文金“锆”儿育成记》《赵文金“锆”儿成长记》,诚邀读者一同回顾中国核用锆合金的发展史。
  晓林
  1979年3月28日,在美国三里岛发生了世界上首次核电站堆芯熔化重大辐射泄漏事故,导致周围20万人紧急疏散……自此,科学家们潜心研究优化核电站每一个细小环节,不断强化核安全,提高核电站综合性能。
  那时,赵文金刚从清华大学毕业分配到中国核动力研究设计院(下称核动力院)工作不久。几十年过去了,社会上对“核”的关注点在原子弹、氢弹、核潜艇、反应堆、加速器、核航母、核污染等之间不停切换,赵文金的目光却一直盯在核燃料(氧化铀)元件的包壳上,与此结下了不解之缘。
  我有一个“儿子”叫锆合金
  “赵老师好,我听说您只有一个独生女儿叫赵妍丹,您老伴魏医生却说您还有个‘儿子’,女儿还说您重‘儿子’轻女儿?”一见到赵文金,我就像追星的狗仔,提了个很八卦的问题。
  “呵呵。”年近七十的赵文金有点不好意思,用“椒盐普通话”(指四川普通话)说,“她们是不是觉得我一天东奔西跑,只顾锆合金,冷落了她们母女?这是拿我开涮的。”
  “锆合金?”我没听懂。
  “就是核燃料元件用的包壳材料。”他见我满脸迷茫,就像一个小学老师一样细说起来,“看来得从头给你说起,锆是化学元素周期表中的第40号元素,元素符号Zr(Zirconium),很多人都不晓得锆是啥子,但又常用到它。现在人们漂亮又管用的烤瓷牙、陶瓷刀具、陶瓷电子元件等就是用氧化锆做的,女生戴的五颜六色的手饰,很多就是用天然锆石制作的。天然锆石是锆的硅酸盐晶体,无色透明的较多,也有呈现红褐、绿、蓝等不同颜色的,经珠宝工匠精心切割、打磨后放射出璀璨光彩,媲美钻石。而单质锆却是稀有金属,是1789年由德国人M·H·Klaproth(克拉普罗特)在对锆石进行研究时发现的,到1824年瑞典的J·J·Berzelius(贝采里乌斯)首先用金属钠还原锆氟酸钾才得到不纯的锆,后经过科学家们多年的不懈努力,到上世纪中叶,才有了可用的金属锆。
  “像啥样子?”我有点好奇。
  “单质锆呈浅灰色,表面易形成一层氧化膜,具有光泽,看起来有点像不锈钢。它是一种高熔点金属,可塑性好,还耐腐蚀,是骨科手术常用的好材料。在炼钢时只要加入千分之一的锆,就会使硬度和强度得到惊人的提高。含锆的装甲钢、大炮锻件钢、不锈钢和耐热钢等是造装甲车、坦克、大炮和防弹板等的好东西。”
  “那就用它做核燃料包壳?”我问道。
  “不是,包壳是装载核燃料芯体的密封外壳,其作用一是防止裂变产物泄漏,二是避免燃料受到冷却剂腐蚀,三是高效地导出燃料裂变产生的热能。包壳材料的性能和品质直接关系到核燃料元件的质量和安全,若包壳破损或熔化,就可能造成核燃料泄漏和辐射污染扩散。因此,它是核反应堆的‘第一道安全屏障’,是燃料组件的‘骨骼’和‘皮肤’,是反应堆最为重要的结构材料。最初,人们是用铝合金、不锈钢等做核燃料包壳,但效果不理想。科学家希望找到一种中子吸收少、强度高、耐高温、耐辐射、寿命长、能提高反应堆安全性能、能延长运行周期、能提高经济价值的新包壳材料。之所以选中锆,最关键的是锆原子不易吸收中子,与核燃料有良好的相容性,被喻为‘原子时代第一金属’。实际上,做包壳用的不是纯锆,而是锆合金,就是在锆中添加了很少的其他金属。”见我皱着眉,他又进一步解释道,“给你打个比方吧,都晓得成都街上的担担面是面粉做的,但面粉与好吃的担担面还有十万八千里距离,面粉需要做成面条,需要加上多种辅料和调味品,还得有厨具,经好厨师精心烹调后,才能得到一碗可口的担担面,是吧?”
  他见我点头,接着说:“就像我做不出一碗正宗味美的担担面一样,我国以前也做不出优质的锆合金,必须依靠进口。几十年来,我们一直在研究锆合金,现在终于有了属于自己的品牌产品,并把它做成了合格的核燃料包壳,用在我们第三代核电站——‘华龙一号’的反应堆上了。魏医生她们说的‘儿子’就是锆合金。一路走来,我确实欠了她们母女好多,她们吃醋了。”
  “真有意思。”我忍不住笑了。
  听他念了这一大通“育儿经”,我不禁联想到被誉为“中国核潜艇之父”的彭士禄院士在自述中说他一生最大的遗憾就是“夫人”太多,第一位是核动力,第二位是烟酒茶,第三位是小玛莎(妻子马淑英)。小玛莎不甘心当第三,为了家庭和睦,彭院士只好把她升为第二,才算平息……
  好想试一下自己做锆合金
  1977年,23岁的赵文金参加工作时,我国第一代核潜艇已经下水。1979年,美国的三里岛核电站泄漏事故令国内外对核电持谨慎态度,核动力院的工作变得“清闲”起来。1986年,前苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸事故,更是给搞核动力的人浇了一大盆冰水,核能产业仿佛进入了寒冬……而社会上的经济改革和经济特区建设已热火朝天,一些学生竟“三不要”(不要户口、工作组织关系和档案)就跑出山沟,奔向大城市,奔向沿海。笔者也是其中之一。
  作为那个年代的共同经历者,我忍不住问赵文金:“那时,你想没想过离开山沟?”
  “说从没想过,那是假的。”他的脸上隐隐泛起浅浅的红晕,回答道,“但小时候常听父亲说,咱家祖祖辈辈都是农民,耕读传家,种地为本。他说农民不种地还叫农民吗?我是清华反应堆材料专业的,你说我不在这里搞堆材料,到别处去做啥子?”这话说得我脸发烧了。
  他好像没注意到我的窘态,接着说:“那时,需用的锆合金之类的关键核材料,不但要花大把的外汇进口,还要求着人家,看人家的脸色,还可能随时被外国人‘卡脖子’……不能总是过讨米下锅的日子呀,我们心里着急,内疚得很。”
  “好想试一下,自己做锆合金!”在核燃料元件及材料专家周邦新(1995年当选为中国工程院院士)等老专家的带领下,赵文金他们从仿制国外当时有的锆合金(锆-2、锆-4)做起,白天在实验室烧起小坩埚做实验,钻进电子显微镜下的核材料微观世界里观察、思索;晚上在家整理分析实验数据,研究国内外各种技术资料。
  在“七五”期间,这事尚未列为重点研究课题,也没人关注和看好,他们在经费筹备、科技人员组织、设备设施配置、横向协作配合等方面碰到诸多难题。特别是国外对相关核心技术的严格封锁,使他们的工作难度再加码。
  马克思有一句名言:“在科学的道路上没有平坦的路可走,只有不畏艰辛,沿着陡峭山路勇于攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。”他们开展了不同比例配方和不同冶炼时间、温场、电场、磁场条件下的系列试验,对得到的试验样品的感观指标、理化指标进行仔细分析研究……功夫不负有心人,小小的坩埚既熬炼出了纽扣样大小的锆合金豆粒,也熬炼出锆合金般坚毅的人。正是因为他们在工作中取得实绩,在“八五”期间,“高性能锆合金应用研究”新材料项目终于定了下来。
  又是数个春秋的熬炼,他们成功试制出了改进型的锆-4合金,更重要的是锻炼培养出了自己的研发人才队伍。赵文金也成长为锆合金领域的行家里手,并光荣地加入了中国共产党。一定要搞出真正属于中国的锆合金!周邦新带领他们从众多锆合金体系中选出了40多种成分配方,并逐一进行分析筛选、熔炼和测试,苦战1000多个日夜,筛选出25种候选合金,并从中确定了两种新型锆合金。
  进入“九五”时期,周邦新调离核动力院,赵文金扛起了自主品牌锆合金研发的旗帜,带领一帮年轻人,根据不同需要对低铌和高铌两个新型锆合金展开了成分、性能、组织、工艺等成体系的研发工作。一个个技术难题被接连攻克,大量工艺参数、性能数据被试验出来,并在核动力院各部门的支持配合下获得了一些堆内性能试验数据。在“十五”期间,锆合金的试制规模从“纽扣锭”、3公斤、7公斤,一直做到了36公斤级,成功实现了中等试制规模生产。
  《中国冶金报》(2022年06月15日 03版三版)

 

银河galaxy娱乐来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:宋玉铮

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