編者按
趙文金,中國核動(dòng)力研究設計院鋯合金材料研發(fā)項目總設計師,1986年開(kāi)始接觸鋯合金的基礎研究工作,從確定合金配方到反復試驗印證性能,再到工程化批量生產(chǎn)……他率領(lǐng)團隊用了近40年時(shí)間研制出擁有自主知識產(chǎn)權、性能位居國際前列的N36鋯合金包殼管,解決了“華龍一號”的“中國芯”——CF3燃料組件中最重要的材料難題。這種直徑9.5毫米、管壁厚度不到1毫米、長(cháng)近4米的鋯合金包殼管是核電站安全的第一道屏障,而該技術(shù)目前只被世界上少數幾個(gè)國家所掌握。
本期和下期,本版分別刊發(fā)《趙文金“鋯”兒育成記》《趙文金“鋯”兒成長(cháng)記》,誠邀讀者一同回顧中國核用鋯合金的發(fā)展史。
曉林
1979年3月28日,在美國三里島發(fā)生了世界上首次核電站堆芯熔化重大輻射泄漏事故,導致周?chē)?0萬(wàn)人緊急疏散……自此,科學(xué)家們潛心研究?jì)?yōu)化核電站每一個(gè)細小環(huán)節,不斷強化核安全,提高核電站綜合性能。
那時(shí),趙文金剛從清華大學(xué)畢業(yè)分配到中國核動(dòng)力研究設計院(下稱(chēng)核動(dòng)力院)工作不久。幾十年過(guò)去了,社會(huì )上對“核”的關(guān)注點(diǎn)在原子彈、氫彈、核潛艇、反應堆、加速器、核航母、核污染等之間不停切換,趙文金的目光卻一直盯在核燃料(氧化鈾)元件的包殼上,與此結下了不解之緣。
我有一個(gè)“兒子”叫鋯合金
“趙老師好,我聽(tīng)說(shuō)您只有一個(gè)獨生女兒叫趙妍丹,您老伴魏醫生卻說(shuō)您還有個(gè)‘兒子’,女兒還說(shuō)您重‘兒子’輕女兒?”一見(jiàn)到趙文金,我就像追星的狗仔,提了個(gè)很八卦的問(wèn)題。
“呵呵?!蹦杲呤内w文金有點(diǎn)不好意思,用“椒鹽普通話(huà)”(指四川普通話(huà))說(shuō),“她們是不是覺(jué)得我一天東奔西跑,只顧鋯合金,冷落了她們母女?這是拿我開(kāi)涮的?!?/div>
“鋯合金?”我沒(méi)聽(tīng)懂。
“就是核燃料元件用的包殼材料?!彼?jiàn)我滿(mǎn)臉迷茫,就像一個(gè)小學(xué)老師一樣細說(shuō)起來(lái),“看來(lái)得從頭給你說(shuō)起,鋯是化學(xué)元素周期表中的第40號元素,元素符號Zr(Zirconium),很多人都不曉得鋯是啥子,但又常用到它?,F在人們漂亮又管用的烤瓷牙、陶瓷刀具、陶瓷電子元件等就是用氧化鋯做的,女生戴的五顏六色的手飾,很多就是用天然鋯石制作的。天然鋯石是鋯的硅酸鹽晶體,無(wú)色透明的較多,也有呈現紅褐、綠、藍等不同顏色的,經(jīng)珠寶工匠精心切割、打磨后放射出璀璨光彩,媲美鉆石。而單質(zhì)鋯卻是稀有金屬,是1789年由德國人M·H·Klaproth(克拉普羅特)在對鋯石進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現的,到1824年瑞典的J·J·Berzelius(貝采里烏斯)首先用金屬鈉還原鋯氟酸鉀才得到不純的鋯,后經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的不懈努力,到上世紀中葉,才有了可用的金屬鋯。
“像啥樣子?”我有點(diǎn)好奇。
“單質(zhì)鋯呈淺灰色,表面易形成一層氧化膜,具有光澤,看起來(lái)有點(diǎn)像不銹鋼。它是一種高熔點(diǎn)金屬,可塑性好,還耐腐蝕,是骨科手術(shù)常用的好材料。在煉鋼時(shí)只要加入千分之一的鋯,就會(huì )使硬度和強度得到驚人的提高。含鋯的裝甲鋼、大炮鍛件鋼、不銹鋼和耐熱鋼等是造裝甲車(chē)、坦克、大炮和防彈板等的好東西?!?/div>
“那就用它做核燃料包殼?”我問(wèn)道。
“不是,包殼是裝載核燃料芯體的密封外殼,其作用一是防止裂變產(chǎn)物泄漏,二是避免燃料受到冷卻劑腐蝕,三是高效地導出燃料裂變產(chǎn)生的熱能。包殼材料的性能和品質(zhì)直接關(guān)系到核燃料元件的質(zhì)量和安全,若包殼破損或熔化,就可能造成核燃料泄漏和輻射污染擴散。因此,它是核反應堆的‘第一道安全屏障’,是燃料組件的‘骨骼’和‘皮膚’,是反應堆最為重要的結構材料。最初,人們是用鋁合金、不銹鋼等做核燃料包殼,但效果不理想??茖W(xué)家希望找到一種中子吸收少、強度高、耐高溫、耐輻射、壽命長(cháng)、能提高反應堆安全性能、能延長(cháng)運行周期、能提高經(jīng)濟價(jià)值的新包殼材料。之所以選中鋯,最關(guān)鍵的是鋯原子不易吸收中子,與核燃料有良好的相容性,被喻為‘原子時(shí)代第一金屬’。實(shí)際上,做包殼用的不是純鋯,而是鋯合金,就是在鋯中添加了很少的其他金屬?!币?jiàn)我皺著(zhù)眉,他又進(jìn)一步解釋道,“給你打個(gè)比方吧,都曉得成都街上的擔擔面是面粉做的,但面粉與好吃的擔擔面還有十萬(wàn)八千里距離,面粉需要做成面條,需要加上多種輔料和調味品,還得有廚具,經(jīng)好廚師精心烹調后,才能得到一碗可口的擔擔面,是吧?”
他見(jiàn)我點(diǎn)頭,接著(zhù)說(shuō):“就像我做不出一碗正宗味美的擔擔面一樣,我國以前也做不出優(yōu)質(zhì)的鋯合金,必須依靠進(jìn)口。幾十年來(lái),我們一直在研究鋯合金,現在終于有了屬于自己的品牌產(chǎn)品,并把它做成了合格的核燃料包殼,用在我們第三代核電站——‘華龍一號’的反應堆上了。魏醫生她們說(shuō)的‘兒子’就是鋯合金。一路走來(lái),我確實(shí)欠了她們母女好多,她們吃醋了?!?/div>
“真有意思?!蔽胰滩蛔⌒α?。
聽(tīng)他念了這一大通“育兒經(jīng)”,我不禁聯(lián)想到被譽(yù)為“中國核潛艇之父”的彭士祿院士在自述中說(shuō)他一生最大的遺憾就是“夫人”太多,第一位是核動(dòng)力,第二位是煙酒茶,第三位是小瑪莎(妻子馬淑英)。小瑪莎不甘心當第三,為了家庭和睦,彭院士只好把她升為第二,才算平息……
好想試一下自己做鋯合金
1977年,23歲的趙文金參加工作時(shí),我國第一代核潛艇已經(jīng)下水。1979年,美國的三里島核電站泄漏事故令國內外對核電持謹慎態(tài)度,核動(dòng)力院的工作變得“清閑”起來(lái)。1986年,前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸事故,更是給搞核動(dòng)力的人澆了一大盆冰水,核能產(chǎn)業(yè)仿佛進(jìn)入了寒冬……而社會(huì )上的經(jīng)濟改革和經(jīng)濟特區建設已熱火朝天,一些學(xué)生竟“三不要”(不要戶(hù)口、工作組織關(guān)系和檔案)就跑出山溝,奔向大城市,奔向沿海。筆者也是其中之一。
作為那個(gè)年代的共同經(jīng)歷者,我忍不住問(wèn)趙文金:“那時(shí),你想沒(méi)想過(guò)離開(kāi)山溝?”
“說(shuō)從沒(méi)想過(guò),那是假的?!彼哪樕想[隱泛起淺淺的紅暈,回答道,“但小時(shí)候常聽(tīng)父親說(shuō),咱家祖祖輩輩都是農民,耕讀傳家,種地為本。他說(shuō)農民不種地還叫農民嗎?我是清華反應堆材料專(zhuān)業(yè)的,你說(shuō)我不在這里搞堆材料,到別處去做啥子?”這話(huà)說(shuō)得我臉發(fā)燒了。
他好像沒(méi)注意到我的窘態(tài),接著(zhù)說(shuō):“那時(shí),需用的鋯合金之類(lèi)的關(guān)鍵核材料,不但要花大把的外匯進(jìn)口,還要求著(zhù)人家,看人家的臉色,還可能隨時(shí)被外國人‘卡脖子’……不能總是過(guò)討米下鍋的日子呀,我們心里著(zhù)急,內疚得很?!?/div>
“好想試一下,自己做鋯合金!”在核燃料元件及材料專(zhuān)家周邦新(1995年當選為中國工程院院士)等老專(zhuān)家的帶領(lǐng)下,趙文金他們從仿制國外當時(shí)有的鋯合金(鋯-2、鋯-4)做起,白天在實(shí)驗室燒起小坩堝做實(shí)驗,鉆進(jìn)電子顯微鏡下的核材料微觀(guān)世界里觀(guān)察、思索;晚上在家整理分析實(shí)驗數據,研究國內外各種技術(shù)資料。
在“七五”期間,這事尚未列為重點(diǎn)研究課題,也沒(méi)人關(guān)注和看好,他們在經(jīng)費籌備、科技人員組織、設備設施配置、橫向協(xié)作配合等方面碰到諸多難題。特別是國外對相關(guān)核心技術(shù)的嚴格封鎖,使他們的工作難度再加碼。
馬克思有一句名言:“在科學(xué)的道路上沒(méi)有平坦的路可走,只有不畏艱辛,沿著(zhù)陡峭山路勇于攀登的人,才有希望達到光輝的頂點(diǎn)?!彼麄冮_(kāi)展了不同比例配方和不同冶煉時(shí)間、溫場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)條件下的系列試驗,對得到的試驗樣品的感觀(guān)指標、理化指標進(jìn)行仔細分析研究……功夫不負有心人,小小的坩堝既熬煉出了紐扣樣大小的鋯合金豆粒,也熬煉出鋯合金般堅毅的人。正是因為他們在工作中取得實(shí)績(jì),在“八五”期間,“高性能鋯合金應用研究”新材料項目終于定了下來(lái)。
又是數個(gè)春秋的熬煉,他們成功試制出了改進(jìn)型的鋯-4合金,更重要的是鍛煉培養出了自己的研發(fā)人才隊伍。趙文金也成長(cháng)為鋯合金領(lǐng)域的行家里手,并光榮地加入了中國共產(chǎn)黨。一定要搞出真正屬于中國的鋯合金!周邦新帶領(lǐng)他們從眾多鋯合金體系中選出了40多種成分配方,并逐一進(jìn)行分析篩選、熔煉和測試,苦戰1000多個(gè)日夜,篩選出25種候選合金,并從中確定了兩種新型鋯合金。
進(jìn)入“九五”時(shí)期,周邦新調離核動(dòng)力院,趙文金扛起了自主品牌鋯合金研發(fā)的旗幟,帶領(lǐng)一幫年輕人,根據不同需要對低鈮和高鈮兩個(gè)新型鋯合金展開(kāi)了成分、性能、組織、工藝等成體系的研發(fā)工作。一個(gè)個(gè)技術(shù)難題被接連攻克,大量工藝參數、性能數據被試驗出來(lái),并在核動(dòng)力院各部門(mén)的支持配合下獲得了一些堆內性能試驗數據。在“十五”期間,鋯合金的試制規模從“紐扣錠”、3公斤、7公斤,一直做到了36公斤級,成功實(shí)現了中等試制規模生產(chǎn)。
《中國冶金報》(2022年06月15日 03版三版)
來(lái)源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)
編輯:劉經(jīng)緯
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