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在能源供给日趋紧张，太阳能、光伏等新能源尚无法完全取代化石能源的当下，发展核电成为多个国家的选择。然而，目前的第三代核电技术仍存在巨大的安全隐患，其使用的铀资源储量也有限。
针对这一困局，中科院此前启动了先导A专项“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”，试图研发用钍做燃料发电的新一代核电。近日，《中国科学报》记者来到中科院金属所，对钍基熔盐堆核能系统的相关材料研发情况进行了探访。
解决能源危机，发展更加安全、成本更低、燃料利用率更高的新一代核电技术，正是这个项目的最终使命。该项目目前由中科院上海应物所牵头，中科院金属所负责这一系统的合金材料制备。
中科院金属所承担的任务看似不起眼，却是整套系统的重中之重。在第四代核电站的设计中，熔盐（即核燃料载体）堆液态燃料堆被认为是钍资源利用的理想堆型。但熔盐堆用材料大多需要在高温、极强腐蚀和中子辐射等多重极端环境下工作，其内部聚合物也需要在高辐射条件下工作，这对材料本身提出了极其严格的要求。金属所董加胜博士、韩维新博士等带领团队承担了这一任务，研制出合格的熔盐堆结构金属材料。
“这种金属材料的选择，一方面关系到周围人员和环境的核辐射安全，另一方面其性能影响到钍基熔盐堆的使用寿命、成本和效益。”董加胜介绍说，通过合金成分设计与优化，他们最终研制出符合要求的、具有自主知识产权的GH3535合金。
此外，研究人员突破了GH3535合金轧制、精密成型等工艺难题，将这一材料加工出熔盐堆所需的板材、管材及焊丝等，并制备出2兆瓦熔盐堆容器样件和回路管道构件，满足了小功率熔盐堆合金结构材料的需求。
研制材料并制成板材、管材的过程，其实需要很多次的试验和实践。记者在位于沈阳桃仙机场附近的中科院金属所中试实验室看到，高约十几米的厂房内，数十台高大的实验设备在工作人员的操作下正在有序运行。用于燃气轮机、航空材料、钍基熔盐堆的各种合金材料，大都从这个厂房生产出来。“很多合金材料，其内部成分必须均匀，以确保其在遭遇外部高温压力时不会出现问题。要做到这一点，就需要设计特殊的工艺，并反复实验。”董加胜告诉记者。
“我们的工作主要以应用研究为主。先在实验室把材料做出来，再在车间将其制备成板材，每一个步骤都需要亲自把握。最困难的是很多合金材料的设计制备并无先例可循，我们只能依靠多年的积累，依靠相对简单的研发平台，依靠与设计部门和工业部门的密切配合开展工作。”董加胜介绍说，目前他们研发的GH3535合金能耐650摄氏度的高温和苛刻的熔盐腐蚀，未来随着研究的深入，预计可发展出满足700甚至800摄氏度使用要求的新材料。
尽管钍基熔盐堆核能系统前景诱人，但在中科院金属所副所长张健等人看来，这项技术能真正投入商业运行，可能还需要漫长的过程。上世纪60年代，美国橡树岭国家实验室曾建成8兆瓦熔盐增殖实验堆，但4年后实验停止。对其中关键的高温结构材料进行分析发现，由于长期在高温、腐蚀、辐照条件下运行，材料出现了不同程度的损伤，这显然会对熔盐堆长期稳定运行构成威胁。因此，尽管金属所突破了GH3535合金及型材的一系列关键技术，但材料的长期性能稳定性仍须经受实践的检验。
“这一先导专项的目标是，预计到2020～2030年，我们能掌握相关核心技术，建成工业示范钍基熔盐堆核能系统。”张健说，作为我国重要的先进材料研发基地之一，中科院金属所将尽力确保为其提供合格的合金材料。