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(shè)計院鋯合金材料研發(fā)項目總設(shè)計師，1986年開始接觸鋯合金的基礎(chǔ)研究工作，從確定合金配方到反復(fù)試驗印證性能，再到工程化批量生產(chǎn)……他率領(lǐng)團(tuán)隊用了近40年時間研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、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(shù)目前只被世界上少數(shù)幾個國家所掌握。

　　本期和下期，本版分別刊發(fā)《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(fā)展史。

　　曉林

　　1979年3月28日，在美國三里島發(fā)生了世界上首次核電站堆芯熔化重大輻射泄漏事故，導(dǎo)致周圍20萬人緊急疏散……自此，科學(xué)家們潛心研究優(yōu)化核電站每一個細(xì)小環(huán)節(jié)，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(xué)畢業(yè)分配到中國核動力研究設(shè)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(guān)注點在原子彈、氫彈、核潛艇、反應(yīng)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(jié)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(yī)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(xué)老師一樣細(xì)說起來，“看來得從頭給你說起，鋯是化學(xué)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(xiàn)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(xiàn)紅褐、綠、藍(lán)等不同顏色的，經(jīng)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(zhì)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(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)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(jīng)過科學(xué)家們多年的不懈努力，到上世紀(jì)中葉，才有了可用的金屬鋯。

　　“像啥樣子？”我有點好奇。

　　“單質(zhì)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(shù)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(chǎn)物泄漏，二是避免燃料受到冷卻劑腐蝕，三是高效地導(dǎo)出燃料裂變產(chǎn)生的熱能。包殼材料的性能和品質(zhì)直接關(guān)系到核燃料元件的質(zhì)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(kuò)散。因此，它是核反應(yīng)堆的‘第一道安全屏障’，是燃料組件的‘骨骼’和‘皮膚’，是反應(yīng)堆最為重要的結(jié)構(gòu)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(xué)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(yīng)堆安全性能、能延長運行周期、能提高經(jīng)濟(jì)價值的新包殼材料。之所以選中鋯，最關(guān)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(jìn)一步解釋道，“給你打個比方吧，都曉得成都街上的擔(dān)擔(dān)面是面粉做的，但面粉與好吃的擔(dān)擔(dān)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(diào)味品，還得有廚具，經(jīng)好廚師精心烹調(diào)后，才能得到一碗可口的擔(dān)擔(dān)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(dān)擔(dān)面一樣，我國以前也做不出優(yōu)質(zhì)的鋯合金，必須依靠進(jìn)口。幾十年來，我們一直在研究鋯合金，現(xiàn)在終于有了屬于自己的品牌產(chǎn)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(yīng)堆上了。魏醫(yī)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。”我忍不住笑了。

　　聽他念了這一大通“育兒經(jīng)”，我不禁聯(lián)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(dāng)?shù)谌?，為了家庭和睦，彭院士只好把她升為第二，才算平息…?/div>

　　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(jīng)下水。1979年，美國的三里島核電站泄漏事故令國內(nèi)外對核電持謹(jǐn)慎態(tài)度，核動力院的工作變得“清閑”起來。1986年，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸事故，更是給搞核動力的人澆了一大盆冰水，核能產(chǎn)業(yè)仿佛進(jìn)入了寒冬……而社會上的經(jīng)濟(jì)改革和經(jīng)濟(jì)特區(qū)建設(shè)已熱火朝天，一些學(xué)生竟“三不要”（不要戶口、工作組織關(guān)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(jīng)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(nóng)民，耕讀傳家，種地為本。他說農(nóng)民不種地還叫農(nóng)民嗎？我是清華反應(yīng)堆材料專業(yè)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(fā)燒了。

　　他好像沒注意到我的窘態(tài)，接著說：“那時，需用的鋯合金之類的關(guān)鍵核材料，不但要花大把的外匯進(jìn)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(nèi)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(dāng)選為中國工程院院士）等老專家的帶領(lǐng)下，趙文金他們從仿制國外當(dāng)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(jìn)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(shù)據(jù)，研究國內(nèi)外各種技術(shù)資料。

　　在“七五”期間，這事尚未列為重點研究課題，也沒人關(guān)注和看好，他們在經(jīng)費籌備、科技人員組織、設(shè)備設(shè)施配置、橫向協(xié)作配合等方面碰到諸多難題。特別是國外對相關(guān)核心技術(shù)的嚴(yán)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(xué)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(dá)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(biāo)、理化指標(biāo)進(jìn)行仔細(xì)分析研究……功夫不負(fù)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(yīng)用研究”新材料項目終于定了下來。

　　又是數(shù)個春秋的熬煉，他們成功試制出了改進(jìn)型的鋯-4合金，更重要的是鍛煉培養(yǎng)出了自己的研發(fā)人才隊伍。趙文金也成長為鋯合金領(lǐng)域的行家里手，并光榮地加入了中國共產(chǎn)黨。一定要搞出真正屬于中國的鋯合金！周邦新帶領(lǐng)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(jìn)行分析篩選、熔煉和測試，苦戰(zhàn)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(jìn)入“九五”時期，周邦新調(diào)離核動力院，趙文金扛起了自主品牌鋯合金研發(fā)的旗幟，帶領(lǐng)一幫年輕人，根據(jù)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(fā)工作。一個個技術(shù)難題被接連攻克，大量工藝參數(shù)、性能數(shù)據(jù)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(nèi)性能試驗數(shù)據(jù)。在“十五”期間，鋯合金的試制規(guī)模從“紐扣錠”、3公斤、7公斤，一直做到了36公斤級，成功實現(xiàn)了中等試制規(guī)模生產(chǎn)。

　　《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(wǎng)

編輯：劉經(jīng)緯

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