這是一根管壁只有0.57毫米，直徑不到1厘米的管子，看似普通的外形，卻是華龍一號CF燃料組件的關(guān)鍵部件——N36鋯合金包殼管;也是為了這一根管子，核動力院人三十余載逐夢“淘金”，終于開花結(jié)果，夢圓今朝。

回望來時路，從“八五”到“十四五”，核動力院人對高性能鋯合金包殼材料的自主研發(fā)工作，至今已跨越七個“五年”。看似簡單的“自主”二字，背后承載著核動力院幾代科研人員數(shù)十載的艱辛付出。

“關(guān)鍵技術(shù)一定要掌握在中國人自己手中”，為了這一信念，他們耗盡心血、開拓創(chuàng)新，用青春與汗水，講述了一個創(chuàng)造屬于中國的“鋯”品牌的故事。

鋯合金家族有了中國“身影”

從1970年8月30日，我國第一代核潛艇陸上模式堆成功達(dá)到滿功率，發(fā)出華夏大地上的第一度核電。到如今，我國自主三代核電技術(shù)華龍一號示范工程全面建成投運，中國核電技術(shù)在自主創(chuàng)新的道路上一直前進。但遺憾的是，核電站的核“芯”部分——核燃料元件包殼材料一直依賴于國外進口。層層專利封鎖，仿佛扼住咽喉;沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，成為了科研人員心中過不去的那道坎!

面對巨大的市場需求和核電事業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實考量，燃料元件包殼必須要踏上“自主化”的道路。

燃料元件包殼是什么?為什么說它如此重要?

作為直接裝載著核燃料的部件，包殼是反應(yīng)堆的第一道安全屏障，承擔(dān)著防止核燃料外泄的重任。由于它是核燃料與冷卻劑之間最直接的隔離屏障，面臨著高溫、高壓、腐蝕以及強輻射等一系列嚴(yán)峻考驗，因此對包殼材料的選擇極為重要，核反應(yīng)堆堆芯能否安全、穩(wěn)定運行，與包殼密切相關(guān)。

鋯合金作為包殼選材的一種，具有中子經(jīng)濟性好、耐高溫腐蝕、力學(xué)性能好等一系列優(yōu)點，被作為了壓水堆燃料元件包殼材料的首選，但由于其研發(fā)的復(fù)雜性，也只有美國、法國、俄羅斯等核大國才擁有自己的鋯合金品牌。

“沒有哪一個國家一直是買別人的、用別人的，最終我們都是要發(fā)展自己的，中國一定要有自己的鋯合金。”談及為什么要研發(fā)鋯合金，CF3項目副總設(shè)計師、N36鋯合金項目技術(shù)負(fù)責(zé)人趙文金淡然而堅定地說。

早在1991年，“八五”時期，核動力院開展的“高性能鋯合金應(yīng)用研究”課題，就已經(jīng)開啟了高性能鋯合金包殼材料的探尋之旅。擔(dān)任該課題組長是我國核燃料與材料領(lǐng)域著名科學(xué)家、工程院院士周邦新。在他的帶領(lǐng)下，以趙文金為主的一批年輕科研人員開啟了對中國鋯合金的研制工作。

課題組首先從鋯鈮系列、鋯錫系列中選出了40多種成分進行分析篩選。“配成分、熔煉鈕扣錠、加工小試樣……合金成分非常微量，是算不出來的，只有通過正交設(shè)計和性能實驗進行成分優(yōu)選。”趙文金說，雖然這個過程枯燥而繁瑣，但在實驗室里的1000多個日日夜夜，他們的付出是有收獲的，在40多種候選合金中，課題組初步篩選出了25種，又從這25種中確定了堆外性能更佳的兩種鋯合金，其中一種為高鈮含量的鋯合金。

進入“九五”、“十五”，科研團隊進一步明確了鋯合金的研究方向和目標(biāo)。但當(dāng)時一個五年計劃所獲批的項目資金，根本不足以支撐項目全部的開展，沒有資金，就利用基金課題和國際交流課題來籌集資金;需要實驗，就廣泛利用各種實驗平臺開展實驗。困難不能阻擋研究步伐，在一次次試驗中，團隊基本固化了高鈮鋯合金的成分范圍，初步制定了其加工工藝參數(shù)。

這種高鈮鋯合金被命名為了N36,“N”代表New Nuclear、Nnumber、亦代表NPIC(核動力院英文縮寫);“36”則是取自材料成分編號，結(jié)合起來便代表了核動力院研發(fā)的一種新的核材料---N36。

宛如嬰兒呱呱墜地，從此世界鋯合金家族有了中國“身影”，中國的鋯品牌有了自己的“出生證”。

煉金房里飛出“火鳳凰”

2010年，對于N36鋯合金團隊來說是個“春天”。這一年，中核集團積極響應(yīng)國家“核電走出去”的戰(zhàn)略方正和自主創(chuàng)新的號召，啟動了我國自主知識產(chǎn)權(quán)先進燃料組件CF的研發(fā)，作為關(guān)鍵部件之一的N36鋯合金乘上了這班通往春天的專列，開啟了工程化應(yīng)用的研究。

萬事開頭難。項目啟動不久，團隊就遇上了難題：國內(nèi)沒有適用于N36鋯合金生產(chǎn)的專業(yè)化生產(chǎn)線，主體工藝技術(shù)研究只能依靠多家社會企業(yè)組合協(xié)作開展。

為了解決這個問題，團隊四處考察，將有相關(guān)制作工藝的廠家與當(dāng)時的生產(chǎn)設(shè)備拼湊在一起，拉出了一條生產(chǎn)線。

“沒有專業(yè)做過鋯合金，設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性都不太好。為了保證研發(fā)的進度和質(zhì)量，大伙兒都是親自動手，吃住現(xiàn)場進行調(diào)試。” 趙文金回憶道。那一年，無論是西北冬天，在攝氏零下4度的車間里，還是南方夏季40多度的車間里，都能看到研發(fā)團隊成員在現(xiàn)場忙碌的身影。

2011年5月，N36鋯合金進入了500kg級管材軋制階段。在日常質(zhì)量檢查中，項目組人員發(fā)現(xiàn)管坯表面出現(xiàn)了許多橫向短裂紋，這是此前從未出現(xiàn)過如此現(xiàn)象。軋制進程當(dāng)即停止，并緊急召集廠家進行原因排查。

現(xiàn)場問題分析會從上午一直持續(xù)到晚上9點，卻始終沒有達(dá)成共識。廠家認(rèn)為管坯的裂紋可直接削除，不會影響后續(xù)的軋制與質(zhì)量。

“多處裂紋即使做了局部處理，但裂紋處已被深度改變了，微觀結(jié)構(gòu)必將影響最終成品管材的質(zhì)量。”趙文金堅持不能將有問題的管材用在后續(xù)研制中。雙方各持己見，進行了多次激烈而專業(yè)的討論。

最終，研究N36團隊的建議得到了集團公司領(lǐng)導(dǎo)和李冠興院士的支持，問題管坯被報廢，并重新投料制作。

解決了軋制的難題，團隊對N36鋯合金的研發(fā)更是充滿了信心。然而，在將工藝放大至1000kg鑄錠規(guī)模時，制作的管坯性能滿足要求的非常少，成品率極低，這樣的情況怎么能實現(xiàn)工程應(yīng)用呢?

“當(dāng)時壓力挺大的，心里就像壓了一塊大石頭。”面對這個問題，參與這個項目的科研人員回憶說，很長一段時間迷茫、困惑充斥在項目組中，“但大家都很堅定，失敗了就再試驗，我們肯定能解決這一問題的。”

一次次的反復(fù)梳理，一次次的認(rèn)真比對，從試驗工藝細(xì)節(jié)到性能數(shù)據(jù)分析，最終的結(jié)論是：非專業(yè)化鋯合金管材軋制裝備的狀態(tài)不穩(wěn)定可能是導(dǎo)致了成品率低的主要原因。“這個原因在當(dāng)時備受爭議，有的認(rèn)為N36鋯合金的加工性能本身就是不好。” 趙文金說。

關(guān)鍵時刻，趙文金頂住壓力，憑借多年的經(jīng)驗積累，堅持了只有在專業(yè)化鋯合金管材軋制生產(chǎn)線上通過改進加工工藝才能制備出高性能高質(zhì)量的N36管材的觀點。

事實證明這個判斷是正確的。2013年，通過與從國外引進的專業(yè)化生產(chǎn)線鋯合金的公司洽談，隨即在專業(yè)化的生產(chǎn)線上展開了研究。趙文金提出了N36的加工工藝路線，研發(fā)團隊進一步優(yōu)化了成分和工藝參數(shù)，制定了實施方案， 3000kg鑄錠規(guī)模、5000kg鑄錠規(guī)模……N36順利突破了研制瓶頸，形成了獨有的N36包殼管材制備工藝技術(shù)，如同鳳凰涅槃、浴火而生。

“走出去”開啟新征程

核燃料品牌自主化很大程度上是以材料的成功研制為標(biāo)志。隨著采用N36包殼材料的CF燃料特征化組件、先導(dǎo)組件的運行考驗和池邊檢查順利開展，各項指標(biāo)顯示N36鋯合金材料力學(xué)、抗腐蝕性和耐輻照性能優(yōu)異，綜合性能達(dá)到國際先進水平，也宣告了核動力院成功自主研發(fā)出了屬于中國的鋯合金。

2017年10月23日，核動力院與西部新鋯材料科技有限公司正式簽訂了《N36鋯合金管棒材制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同》，標(biāo)志著我國掌握了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能鋯合金包殼材料研制技術(shù)。

2018年11月24日，首批工程化制備N36鋯合金材料通過專家組驗收，在西安順利裝車運發(fā)，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的鋯合金材料實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

直到今天， N36一步一腳印，實現(xiàn)了走向世界的夢想，在國際鋯合金的家族中穩(wěn)據(jù)一席之地。

“作為一個材料研發(fā)者，很可能做了一輩子的研發(fā)，最后只能作為資料鎖在柜子里。所以我們的材料能夠得到應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，真的是非常幸運的了。” 回顧N36的研制歷程，趙文金無比感慨。

從研發(fā)到技轉(zhuǎn)，從工程化到產(chǎn)業(yè)化，N36鋯合金的成功研發(fā)為我國從核大國走向核強國提供了強大的保障，有力支撐了我國核電“走出去”戰(zhàn)略的實現(xiàn)。

“守得云開見月明”，曾經(jīng)的青年才俊如今已兩鬢斑白，但值得欣慰的是，他們的研究成果正青春勃發(fā)地踏上了新征程，真正開始去履行屬于它的使命。