面向国家核能战略需求，构建‘链式反应’创新模式
特种纤维与核能材料工程实验室
中国目前处于核电发展最好的历史时期：中国当前在运核电机组数达34台，仅次于美国、法国、俄罗斯，位列全球第四； “十三五”期间，核电运行装机容量将达到5800万千瓦，在建达到3000万千瓦以上；第三代压水堆、四代堆和聚变堆等新堆型的研发均走在世界前列，有望引领世界核电行业的发展。然而，在核电行业欢欣鼓舞之后，中国却面临着核电关键材料严重依赖进口的现实。中国核学会理事长李冠兴院士近几年在各种场合不断地呼吁：一定要发展具有自主知识产权的核燃料与包壳材料，加快中国核材料的创新驱动发展，打破关键材料单纯依赖进口和国产化的老路。因此，核能材料‘中国制造’是中国核能事业蓬勃发展对材料科学家的紧迫要求，也是新时期国家经济供给侧改革下发给材料学科的艰巨任务。
2011年，中科院启动‘先进核裂变能’先导专项，包括上海应用物理所提出的钍基熔盐堆系统（TMSR）和近代物理所、高能物理所、核安全所等单位主导的加速器驱动其临界系统（ADS）两大专项。在核能先导专项的研发过程中，关键核能材料，如核燃料和结构材料，已经被认为是掣肘反应堆运行温度和系统指标设计的决定因素。与此同时，TMSR和ADS运行所面临的高出口温度、极端的腐蚀环境和高原子平均移位的中子辐照条件，对传统的堆芯和包壳材料提出了挑战。这些材料挑战与目前国际上针对压水堆核燃料组件的事故容错核燃料（ATF）要求是基本一致的，具有很强的共性技术需求。
核能材料的研究具有很强的应用导向性、前瞻性和多学科合作特点，这一点从美国国家能源局和西屋电气公司主导的ATF计划可见一斑。该计划联合了近30家美国国内和全世界核电优势研发单位，已经提出将ATF作为改变未来核燃料游戏规则的重要砝码。所有的参与单位都具有明确的分工，如爱达华国家实验室负责高密度铀硅燃料及辐照与测试，洛斯阿拉莫斯国家实验室和德克萨斯A&M大学负责铀氮核燃料研发，阿贡国家实验室负责锆合金表面原子沉积技术，EWI公司负责锆包壳表面热喷涂技术，威斯康辛大学则负责冷喷涂技术，通用原子技术公司负责碳化硅复合材料包壳管设计制造，陶瓷管制品公司负责碳化硅缠绕技术，麻省理工学院负责辐照与氧化评价，挪威Halden反应堆和瑞士保罗谢勒研究所参与新型包壳管的辐照研究，此外还有机构负责核燃料组件的经济性和许可工作等。可以看出，美国的核燃料研发目前是集团式发展思路，与日本政府当年主导的VLSI技术研究组合思路极其相似，这对于高投入型行业发展避免资源浪费、内部消耗和快速抢占未来先端产业市场是非常有利的。
图1 美国西屋公司碳化硅包壳管与ATF燃料组件设计（图片来源于网络）
宁波材料所围绕中科院的先进核能系统的发展需要，于2010年引进黄庆研究员建立‘结构与功能一体化陶瓷’团队，启动了加速器微波功率输入耦合器项目研究。2012年，由北京大学和宁波材料所负责的国家自然科学基金重点项目‘熔盐环境下结构材料辐照损伤机制及其高温熔盐腐蚀特性研究’获批。2014年初，材料所引进美国洛斯阿拉莫斯国家实验室都时禹青年千人，建立能源计算材料团队，在国内开辟了核燃料数值模拟新方向。同年，国家千人何流研究员加入特种纤维事业部，将有机硅化学成功应用于碳化硅纤维用先驱体合成中。2015年初，国家基金委‘先进核裂变能的燃料增殖与嬗变’重大研究计划集成项目‘核用SiCf/SiC复合材料结构设计与离子辐照评价’和ADS先导专项子课题‘核用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料关键技术研发’同时在宁波材料所启动，近代物理所、国防科技大学和北京大学等相关团队成为所外紧密合作单位。2016年，材料所表面事业部黄峰研究员成为核能材料表面和界面技术的主要力量，并联合近代物理所开展ADS加速器超导腔超导涂层攻关项目。2016年7月，我国‘十三五’第一批国家重大研发项目发布，都时禹研究员领衔重大专项‘先进核燃料包壳的材料基因组多尺度软件设计和应用示范’，参与单位包括哈尔滨工程大学、宁波材料所、清华大学、中核核动力院和复旦大学。至此，由最初的‘结构与功能一体化陶瓷’团队发展到目前的‘特种纤维与核能材料工程实验室’，宁波材料所逐步形成了具有服务国家战略需求、交叉学科特色鲜明、任务聚焦的核能基础材料研发平台，组建了一支有活力的中国核材料研发生力军。在核能团队的发展过程中，詹文龙院士、柴之芳院士、李冠兴院士和薛群基院士等专家提出了大量的建议，倾注了很多心血和期望。对此我们团队全体成员都铭记在心，不敢有丝毫懈怠，只能用拼搏和高质量地完成国家任务来回报。
国家‘十三五’期间，宁波材料所‘特种纤维与核能材料工程实验室’将主要致力于以下三个方向：
- 连续碳化硅纤维工程化技术及其核用复合材料研发，侧重核用评价；
- 特种结构与功能涂层材料及关键技术，形成器件；
- 能源计算材料多尺度模拟与软件设计，构建核材料大数据。
特种纤维与核能材料工程实验室将继续秉承‘战略导向，互补交叉，多点形核，链式创新’的宗旨加强合作交流，在国家战略需求的牵引下，整合专业团队的研发优势，攻克核能系统中的关键材料问题，期望在陶瓷纤维、复合材料、表界面工程、材料计算等多个方向有所突破，在系统组件与器件中体现应用价值。不同专业领域团队间的深入合作将给各自细分研究课题带来新的启发，类比于裂变堆‘链式反应’特征，一个中子作用核燃料释放出两个以上的中子，多余的中子将继续触发更多的核燃料释放出能量，这是开放的、可持续的创新模式。
图2 先进压水堆中的核燃料组件（图片来源于网络）