鋯合金是目前軍用艦船核動(dòng)力和商用壓水堆燃料元件包殼唯一可選材料。國內尚無(wú)實(shí)現工程化應用的鋯合金，長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口受制于人，是我國關(guān)鍵基礎材料的短板之一，必須開(kāi)展自主知識產(chǎn)權先進(jìn)鋯合金研發(fā)。中國核動(dòng)力研究設計院在30 年來(lái)鋯合金研發(fā)積累的基礎上，充分借鑒國際先進(jìn)鋯合金研發(fā)經(jīng)驗，歷經(jīng)10 年的艱苦科研攻關(guān)，以軍民結合為指引，成功實(shí)現了N36 鋯合金工程化。本文介紹了N36 鋯合金自主化的背景、總體思路、研產(chǎn)歷程、相關(guān)成果。鋯合金自主研產(chǎn)成功，使得我國獲得了完整的自主知識產(chǎn)權，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性。這有利于保障軍用核級鋯合金包殼的穩定供應，有利于保證中國核電站的運行和發(fā)展以及軍用核動(dòng)力材料供應安全，具有典型的軍民結合示范意義。

1、引言

核電作為一種清潔高效能源，發(fā)展核電是當前我國堅定不移的能源發(fā)展戰略方針。核燃料元件是核反應堆的核心部件，對反應堆安全性和可靠性有極其重要的影響，包殼是核反應堆的第一道安全屏障。

鋯合金在高溫高壓環(huán)境下具有低的中子吸收截面和良好的綜合性能，是目前主流核反應堆唯一工程化應用的包殼材料。為滿(mǎn)足核電技術(shù)發(fā)展對燃料元件長(cháng)壽期、高安全、高可靠性的要求，世界各國大力開(kāi)展先進(jìn)鋯合金的研制并加速推廣工程化應用。以往我國鋯合金包殼材料的供應長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口，“受制于人”，是我國基礎材料領(lǐng)域的短板之一，要實(shí)現我國核電跨越式發(fā)展，保障能源安全，必須實(shí)現先進(jìn)鋯合金材料自主化。

黨的十八大提出實(shí)施創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略，強調科技創(chuàng )新是提高社會(huì )生產(chǎn)力和綜合國力的戰略支撐，必須擺在國家發(fā)展全局的核心位置。黨的十八大把堅持走軍民融合式發(fā)展路子等寫(xiě)入了黨的綱領(lǐng)性文件。十九大報告中指出：科技軍民融合作為國家創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略、軍民融合深度發(fā)展戰略和改革強軍戰略的交匯點(diǎn)，是黨中央對科技創(chuàng )新發(fā)展的戰略部署。在此背景下，以科技創(chuàng )新為驅動(dòng)，以軍民融合為途徑，補齊短板，開(kāi)展高性能鋯合金研發(fā)迫在眉睫。

中國核動(dòng)力研究設計院從“八五”開(kāi)始就在國內率先針對我國壓水堆燃料元件包殼的腐蝕問(wèn)題，同時(shí)跟蹤國際上鋯合金的發(fā)展趨勢，提出了開(kāi)展高性能鋯合金研究的建議。由原先主要集中在包殼材料性能研究向全過(guò)程材料研發(fā)轉變，歷經(jīng)“八五”到“十五”等科研先后完成了成分篩選和優(yōu)化、工藝研究、顯微組織研究、堆外腐蝕性能及力學(xué)性能實(shí)驗等。借助國內社會(huì )協(xié)作單位實(shí)現了中試規模工藝研究，并依托中國核動(dòng)力研究設計院整體優(yōu)勢開(kāi)展了堆內外性能研究。在這些系統性的、規模開(kāi)展的實(shí)驗研究中，一種性能優(yōu)異的、適 用于壓水堆電站水質(zhì)環(huán)境的合金材料脫穎而出，即N36鋯合金，成功申報了成分專(zhuān)利和注冊商標，為N36鋯合金工程化奠定了堅實(shí)技術(shù)基礎。

2、N36 鋯合金工程化

2.1 N36 鋯合金工程化總體思路

為保障國家能源供應安全，國家國防科技工業(yè)局和中國核工業(yè)集團公司于2010 年分別批復了壓水堆燃料元件設計制造技術(shù)研究（第二階段）等項目，正式啟動(dòng)了我國具有自主知識產(chǎn)權的N36 鋯合金工程化制備技術(shù)研究。研究目標定位立足國內資源、借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗，完成N36 鋯合金的自主化研究，達到工程應用。N36 鋯合金工程化總體思路為，以創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略和軍民融合發(fā)展戰略為統領(lǐng)，構建并實(shí)施軍民融合型鋯合金研發(fā)體系，中國核動(dòng)力研究設計院牽頭聯(lián)合國內具有研發(fā)鋯合金包殼材料的產(chǎn)業(yè)化能力的單位，在軍用鋯合金研發(fā)的基礎上，開(kāi)展N36 鋯合金的工程化應用研究，研制出具有工業(yè)規模工藝代表性的N36鋯合金管棒材，并開(kāi)展入堆輻照考驗，獲得N36 鋯合金包殼材料的堆內外性能數據，最終在專(zhuān)業(yè)化鋯合金生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)施N36 鋯合產(chǎn)業(yè)化。

2.2 N36 鋯合金自主研產(chǎn)歷程

中國核動(dòng)力研究設計院在30余年鋯合金研發(fā)積累的基礎上，依托反應堆燃料及材料國防重點(diǎn)實(shí)驗室研發(fā)平臺，充分借鑒國際先進(jìn)鋯合金研發(fā)經(jīng)驗，通過(guò)開(kāi)展200kg級工藝探索、300kg 級工藝驗證、500kg 級和1000kg 級工藝放大、3000kg 級工藝優(yōu)化和5000kg 級工藝定型以及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)轉讓開(kāi)展工程化小批量入堆產(chǎn)品生產(chǎn)等階段研究工作（見(jiàn)圖1），同時(shí)系統深入研究了合金熔煉、均勻化處理、擠壓、軋制等關(guān)鍵工藝參數對組織與性能的影響，歷經(jīng)9 年的艱苦科研攻關(guān)，在國內首次實(shí)現了從海綿鋯到成品管棒材的全線(xiàn)工藝貫通、固化了制備工藝，制備出的N36鋯合金材料分別制造了特征化燃料組件和先導組件并入“秦山二期”商業(yè)堆開(kāi)展輻照考驗；獲得了全面N36鋯合金堆內、外性能數據，全面完成了研究任務(wù)，實(shí)現了研究目標。

2.3 N36 鋯合金工程化研究成果

通過(guò)N36 鋯合金自主化研究項目，在鋯合金制備工藝方面和性能研究方面均取得了突破性的進(jìn)展，并圍繞鑄錠成分均勻性、鑄錠制備工藝、管棒材制備工藝和鋯合金性能試驗等方面進(jìn)行了專(zhuān)利布局，完成專(zhuān)利22 件申報，其中發(fā)明專(zhuān)利14 件，實(shí)用新型專(zhuān)利8 件。專(zhuān)利布局所負載的知識產(chǎn)權也為軍民融合深度發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎，能更好地兼顧軍用 效益與民用效益之間的平衡。

通過(guò)系統的開(kāi)展鑄錠制備工藝研究、擠壓工藝研究、軋制等工藝研究，獲得了管棒材加工過(guò)程中工藝、組織和性能之間的關(guān)系，掌握了加工過(guò)程中關(guān)鍵工藝參數對材料性能影響的機理，重點(diǎn)突破了添加返回料的鑄錠制備、低溫慢速擠壓、大變形軋制等關(guān)鍵技術(shù)，申請并受理工藝發(fā)明專(zhuān)利三項。獲得了適用于N36 鋯合金工業(yè)化規模生產(chǎn)的、具有自主知識產(chǎn)權的包殼管棒材制造技術(shù)。

研制了N36 特征化燃料組件，N36先導燃料組件用N36 鋯合金管棒材，產(chǎn)品成品率穩步提升（見(jiàn)圖2），與國際先進(jìn)水平相當，性能指標優(yōu)異達到國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟性良好。

形成了完整的N36 鋯合金制備工藝文件和規范，構建了完整的鋯合金性能分析評價(jià)方法和體系，獲得了全面的N36 鋯合金堆內外性能數據。堆外性能數據表明，N36鋯合金與傳統Zr-4 合金比較，拉伸與爆破性能與Zr-4 合金相當，堆外耐腐蝕性能、抗蠕變性能、低周疲勞性能以及抗高溫氧化性能等優(yōu)于Zr-4 合金。經(jīng)堆內3個(gè)循環(huán)輻照考驗后池邊檢查結果表明，組圖 1 N36鋯合金工程化應用研究歷程圖 件結構完整 ；氧化膜均勻致密，最高燃耗區域燃料棒氧化膜最大厚度77μm ；兩個(gè)循環(huán)的抗輻照生長(cháng)及蠕變性能優(yōu)于成熟商用合金（見(jiàn)圖3）。輻照數據表明，N36 鋯合金具有優(yōu)良的抗輻照性能。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng )新

N36 鋯合金研制工藝復雜，技術(shù)難度大。在研制過(guò)程中完成了制備工藝和性能分析評價(jià)技術(shù)攻關(guān)，突破了合金制備等五大關(guān)鍵技術(shù)，一是突破了返回料添加、合金元素添加方式和布料方式的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現了工業(yè)規模的鑄錠成分均勻性控制；二是突破了擠壓筒設計技術(shù)、擠壓工藝和涂層潤滑等技術(shù)難點(diǎn)，掌握了N36 鋯合金特有的低溫慢速擠壓技術(shù)；三是研究了Q值等軋制工藝參數對管材綜合性能的影響，掌握了N36 鋯合金管材大變形軋制技術(shù)；四是確定了N36鋯合金中間退火及成品退火的低溫技術(shù)路線(xiàn)；五是研發(fā)了6 臺套鋯合 金關(guān)鍵特殊性能試驗裝置，突破了N36 鋯合金堆外應用性能評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和技術(shù)創(chuàng )新，為N36 鋯合金工程化應用建奠定了堅實(shí)基礎；同時(shí)，也為軍用鋯合金研發(fā)提供了強有力的經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

3、 N36 鋯合金工程化成功的意義

3.1 保障軍用核級鋯合金自主可控

軍用核級鋯合金使用環(huán)境惡劣，對材料性能及質(zhì)量要求極高，事關(guān)裝備先進(jìn)性、安全性及可靠性。軍用核級鋯合金技術(shù)是軍用艦船反應堆技術(shù)的核心之一，國外對此嚴格保密控制，無(wú)法從國外引進(jìn)。

中核集團肩負著(zhù)軍用核動(dòng)力研發(fā)的歷史重任，但關(guān)鍵材料鋯合金研發(fā)和生產(chǎn)卻游離于反應堆核心技術(shù)以外，已成為裝備發(fā)展“瓶頸”之一。并且，由于軍用核級鋯合金的特殊 使用工況及性能要求，在其他材料領(lǐng)域廣泛采用的民口配套模式恰恰制約了軍用鋯合金的研發(fā)及工程化應用。因此，以中核集團為主體組建從研發(fā)、工程化試制到生產(chǎn)的完整的軍用鋯合金產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現了軍用鋯合金的技術(shù)發(fā)展，并確保軍用鋯合金的穩定供給。

3.2 保證中國核電能源安全

國內核電用高性能鋯合金都是從國外引進(jìn)，未來(lái)我國對鋯合金的需求量非常大，在此之前，我國沒(méi)有自主知識產(chǎn)權的鋯合金材料，難以保障自主供給。N36 鋯合金等一批典型材料的自主化研發(fā)成功，掌握了鋯合金生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，建立了具有主動(dòng)權的鋯合金產(chǎn)業(yè)鏈，解決了制約核電發(fā)展的鋯材生產(chǎn)問(wèn)題。中核集團深厚的技術(shù)沉淀和積累，最有條件成為我國自主品牌鋯合金研發(fā)和生產(chǎn)的龍頭，這對避免受制于人、擺脫行業(yè)壟斷、提升我國核電能源安全具有重大的戰略意義。

4、啟示

在軍民融合深度發(fā)展戰略的深入推動(dòng)下，中國核動(dòng)力研究設計院成功研制N36 鋯合金并實(shí)現工程化應用，有力支撐了我國具有自主知識產(chǎn)權的三代核電技術(shù)“華龍一號”的研發(fā)，對保障我國核電安全發(fā)展、促進(jìn)核電“走出去”戰略的實(shí)現，推進(jìn)核燃料產(chǎn)業(yè)軍民融合具有重要意義。N36 鋯合金實(shí)現工程化獲得成功，是貫徹以習近平總書(shū)記為核心的新一代黨中央號召下的軍民融合國家戰略，以創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略和軍民融合發(fā)展戰略為統領(lǐng)，加快形成全要素、多領(lǐng)域、高效益的軍民融合深度發(fā)展格局的一個(gè)深刻體現，給予了我們很大的啟示。

一是在關(guān)鍵基礎材料的研發(fā)方面，需堅定不移地貫徹執行軍民融合深度發(fā)展戰略，堅持“軍民融合”式發(fā)展，實(shí)現科技軍民融合。

二是N36 工程化產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟性達到國際先進(jìn)水平，提升了我國鋯合金研發(fā)領(lǐng)域的科技創(chuàng )新能力和軍民兩用核燃料元件研發(fā)能力，技創(chuàng )新是社會(huì )發(fā)展之根本。

三是N36 鋯合金實(shí)現工程化，有力支撐了我國核電“走出去”戰略的實(shí)現，其研發(fā)經(jīng)驗為軍用鋯合金提供了有力支撐，為提升國防安全提供了堅實(shí)保障，軍民融合是發(fā)展之路。

四是N36 鋯合金科研成果成功實(shí)現了向制造企業(yè)的技術(shù)轉化，表明要打造強有力的科技創(chuàng )新體系，科技成果轉化是重點(diǎn)。注：隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，文中軍民結合如今已被軍民融合替代。

(卓 洪 邱紹宇 趙文金 鄧傳東， 作者單位：中國核動(dòng)力研究設計院第四研究所)

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