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趙文金“鋯”兒育成記(上)
——中國核用鋯合金是怎樣煉成的(上)

2022-06-15 08:40:00

  編者按
  趙文金,中國核動力研究設計院鋯合金材料研發項目總設計師,1986年開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……他率領團隊用了近40年時間研制出擁有自主知識產權、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,而該技術目前只被世界上少數幾個國家所掌握。
  本期和下期,本版分別刊發《趙文金“鋯”兒育成記》《趙文金“鋯”兒成長記》,誠邀讀者一同回顧中國核用鋯合金的發展史。
  曉林
  1979年3月28日,在美國三里島發生了世界上首次核電站堆芯熔化重大輻射泄漏事故,導致周圍20萬人緊急疏散……自此,科學家們潛心研究優化核電站每一個細小環節,不斷強化核安全,提高核電站綜合性能。
  那時,趙文金剛從清華大學畢業分配到中國核動力研究設計院(下稱核動力院)工作不久。幾十年過去了,社會上對“核”的關注點在原子彈、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“兒子”叫鋯合金
  “趙老師好,我聽說您只有一個獨生女兒叫趙妍丹,您老伴魏醫生卻說您還有個‘兒子’,女兒還說您重‘兒子’輕女兒?”一見到趙文金,我就像追星的狗仔,提了個很八卦的問題。
  “呵呵?!蹦杲呤内w文金有點不好意思,用“椒鹽普通話”(指四川普通話)說,“她們是不是覺得我一天東奔西跑,只顧鋯合金,冷落了她們母女?這是拿我開涮的?!?/div>
  “鋯合金?”我沒聽懂。
  “就是核燃料元件用的包殼材料?!彼娢覞M臉迷茫,就像一個小學老師一樣細說起來,“看來得從頭給你說起,鋯是化學元素周期表中的第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,無色透明的較多,也有呈現紅褐、綠、藍等不同顏色的,經珠寶工匠精心切割、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)在對鋯石進行研究時發現的,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,后經過科學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?”我有點好奇。
  “單質鋯呈淺灰色,表面易形成一層氧化膜,具有光澤,看起來有點像不銹鋼。它是一種高熔點金屬,可塑性好,還耐腐蝕,是骨科手術常用的好材料。在煉鋼時只要加入千分之一的鋯,就會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、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生的熱能。包殼材料的性能和品質直接關系到核燃料元件的質量和安全,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家希望找到一種中子吸收少、強度高、耐高溫、耐輻射、壽命長、能提高反應堆安全性能、能延長運行周期、能提高經濟價值的新包殼材料。之所以選中鋯,最關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‘原子時代第一金屬’。實際上,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?!币娢野欀?,他又進一步解釋道,“給你打個比方吧,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,經好廚師精心烹調后,才能得到一碗可口的擔擔面,是吧?”
  他見我點頭,接著說:“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質的鋯合金,必須依靠進口。幾十年來,我們一直在研究鋯合金,現在終于有了屬于自己的品牌產品,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。魏醫生她們說的‘兒子’就是鋯合金。一路走來,我確實欠了她們母女好多,她們吃醋了?!?/div>
  “真有意思?!蔽胰滩蛔⌒α?。
  聽他念了這一大通“育兒經”,我不禁聯想到被譽為“中國核潛艇之父”的彭士祿院士在自述中說他一生最大的遺憾就是“夫人”太多,第一位是核動力,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,我國第一代核潛艇已經下水。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度,核動力院的工作變得“清閑”起來。1986年,前蘇聯切爾諾貝利核電站發生爆炸事故,更是給搞核動力的人澆了一大盆冰水,核能產業仿佛進入了寒冬……而社會上的經濟改革和經濟特區建設已熱火朝天,一些學生竟“三不要”(不要戶口、工作組織關系和檔案)就跑出山溝,奔向大城市,奔向沿海。筆者也是其中之一。
  作為那個年代的共同經歷者,我忍不住問趙文金:“那時,你想沒想過離開山溝?”
  “說從沒想過,那是假的?!彼哪樕想[隱泛起淺淺的紅暈,回答道,“但小時候常聽父親說,咱家祖祖輩輩都是農民,耕讀傳家,種地為本。他說農民不種地還叫農民嗎?我是清華反應堆材料專業的,你說我不在這里搞堆材料,到別處去做啥子?”這話說得我臉發燒了。
  他好像沒注意到我的窘態,接著說:“那時,需用的鋯合金之類的關鍵核材料,不但要花大把的外匯進口,還要求著人家,看人家的臉色,還可能隨時被外國人‘卡脖子’……不能總是過討米下鍋的日子呀,我們心里著急,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家周邦新(1995年當選為中國工程院院士)等老專家的帶領下,趙文金他們從仿制國外當時有的鋯合金(鋯-2、鋯-4)做起,白天在實驗室燒起小坩堝做實驗,鉆進電子顯微鏡下的核材料微觀世界里觀察、思索;晚上在家整理分析實驗數據,研究國內外各種技術資料。
  在“七五”期間,這事尚未列為重點研究課題,也沒人關注和看好,他們在經費籌備、科技人員組織、設備設施配置、橫向協作配合等方面碰到諸多難題。特別是國外對相關核心技術的嚴格封鎖,使他們的工作難度再加碼。
  馬克思有一句名言:“在科學的道路上沒有平坦的路可走,只有不畏艱辛,沿著陡峭山路勇于攀登的人,才有希望達到光輝的頂點?!彼麄冮_展了不同比例配方和不同冶煉時間、溫場、電場、磁場條件下的系列試驗,對得到的試驗樣品的感觀指標、理化指標進行仔細分析研究……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績,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。
  又是數個春秋的熬煉,他們成功試制出了改進型的鋯-4合金,更重要的是鍛煉培養出了自己的研發人才隊伍。趙文金也成長為鋯合金領域的行家里手,并光榮地加入了中國共產黨。一定要搞出真正屬于中國的鋯合金!周邦新帶領他們從眾多鋯合金體系中選出了40多種成分配方,并逐一進行分析篩選、熔煉和測試,苦戰1000多個日夜,篩選出25種候選合金,并從中確定了兩種新型鋯合金。
  進入“九五”時期,周邦新調離核動力院,趙文金扛起了自主品牌鋯合金研發的旗幟,帶領一幫年輕人,根據不同需要對低鈮和高鈮兩個新型鋯合金展開了成分、性能、組織、工藝等成體系的研發工作。一個個技術難題被接連攻克,大量工藝參數、性能數據被試驗出來,并在核動力院各部門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,成功實現了中等試制規模生產。
  《中國冶金報》(2022年06月15日 03版三版)

 

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:劉經緯

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