我國自主研制N36鋯合金在核電軍工領域的工程化應用

鋯合金是目前軍用艦船核動力和商用壓水堆燃料元件包殼唯一可選材料。國內尚無實現工程化應用的鋯合金，長期依賴進口受制于人，是我國關鍵基礎材料的短板之一，必須開展自主知識產權先進鋯合金研發。中國核動力研究設計院在30 年來鋯合金研發積累的基礎上，充分借鑒國際先進鋯合金研發經驗，歷經10 年的艱苦科研攻關，以軍民結合為指引，成功實現了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、研產歷程、相關成果。鋯合金自主研產成功，使得我國獲得了完整的自主知識產權，具有良好的技術經濟性。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展以及軍用核動力材料供應安全，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，發展核電是當前我國堅定不移的能源發展戰略方針。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。為滿足核電技術發展對燃料元件長壽期、高安全、高可靠性的要求，世界各國大力開展先進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期依賴進口，“受制于人”，是我國基礎材料領域的短板之一，要實現我國核電跨越式發展，保障能源安全，必須實現先進鋯合金材料自主化。

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

中國核動力研究設計院從“八五”開始就在國內率先針對我國壓水堆燃料元件包殼的腐蝕問題，同時跟蹤國際上鋯合金的發展趨勢，提出了開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程材料研發轉變，歷經“八五”到“十五”等科研先后完成了成分篩選和優化、工藝研究、顯微組織研究、堆外腐蝕性能及力學性能實驗等。借助國內社會協作單位實現了中試規模工藝研究，并依托中國核動力研究設計院整體優勢開展了堆內外性能研究。在這些系統性的、規模開展的實驗研究中，一種性能優異的、適 用于壓水堆電站水質環境的合金材料脫穎而出，即N36鋯合金，成功申報了成分專利和注冊商標，為N36鋯合金工程化奠定了堅實技術基礎。

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，國家國防科技工業局和中國核工業集團公司于2010 年分別批復了壓水堆燃料元件設計制造技術研究（第二階段）等項目，正式啟動了我國具有自主知識產權的N36鋯合金工程化制備技術研究。研究目標定位立足國內資源、借鑒國外先進經驗，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，以創新驅動發展戰略和軍民融合發展戰略為統領，構建并實施軍民融合型鋯合金研發體系，中國核動力研究設計院牽頭聯合國內具有研發鋯合金包殼材料的產業化能力的單位，在軍用鋯合金研發的基礎上，開展N36 鋯合金的工程化應用研究，研制出具有工業規模工藝代表性的N36鋯合金管棒材，并開展入堆輻照考驗，獲得N36 鋯合金包殼材料的堆內外性能數據，最終在專業化鋯合金生產線上實施N36 鋯合產業化。

2.2 N36 鋯合金自主研產歷程

中國核動力研究設計院在30余年鋯合金研發積累的基礎上，依托反應堆燃料及材料國防重點實驗室研發平臺，充分借鑒國際先進鋯合金研發經驗，通過開展200kg級工藝探索、300kg 級工藝驗證、500kg 級和1000kg 級工藝放大、3000kg 級工藝優化和5000kg 級工藝定型以及產業化技術轉讓開展工程化小批量入堆產品生產等階段研究工作（見圖1），同時系統深入研究了合金熔煉、均勻化處理、擠壓、軋制等關鍵工藝參數對組織與性能的影響，歷經9 年的艱苦科研攻關，在國內首次實現了從海綿鋯到成品管棒材的全線工藝貫通、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”商業堆開展輻照考驗；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，實現了研究目標。

2.3 N36 鋯合金工程化研究成果

通過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行了專利布局，完成專利22 件申報，其中發明專利14 件，實用新型專利8 件。專利布局所負載的知識產權也為軍民融合深度發展奠定了堅實的基礎，能更好地兼顧軍用 效益與民用效益之間的平衡。

通過系統的開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程中工藝、組織和性能之間的關系，掌握了加工過程中關鍵工藝參數對材料性能影響的機理，重點突破了添加返回料的鑄錠制備、低溫慢速擠壓、大變形軋制等關鍵技術，申請并受理工藝發明專利三項。獲得了適用于N36 鋯合金工業化規模生產的、具有自主知識產權的包殼管棒材制造技術。

研制了N36 特征化燃料組件，N36先導燃料組件用N36鋯合金管、鋯棒材，產品成品率穩步提升（見圖2），與國際先進水平相當，性能指標優異達到國際先進水平，產品技術經濟性良好。

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于Zr-4 合金。經堆內3個循環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 ；兩個循環的抗輻照生長及蠕變性能優于成熟商用合金（見圖3）。輻照數據表明，N36 鋯合金具有優良的抗輻照性能。

2.4 關鍵技術及技術創新

N36 鋯合金研制工藝復雜，技術難度大。在研制過程中完成了制備工藝和性能分析評價技術攻關，突破了合金制備等五大關鍵技術，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難點，實現了工業規模的鑄錠成分均勻性控制；二是突破了擠壓筒設計技術、擠壓工藝和涂層潤滑等技術難點，掌握了N36 鋯合金特有的低溫慢速擠壓技術；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；四是確定了N36鋯合金中間退火及成品退火的低溫技術路線；五是研發了6 臺套鋯合 金關鍵特殊性能試驗裝置，突破了N36 鋯合金堆外應用性能評價關鍵技術。這些關鍵技術的突破和技術創新，為N36 鋯合金工程化應用建奠定了堅實基礎；同時，也為軍用鋯合金研發提供了強有力的經驗和技術支撐。

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境惡劣，對材料性能及質量要求極高，事關裝備先進性、安全性及可靠性。軍用核級鋯合金技術是軍用艦船反應堆技術的核心之一，國外對此嚴格保密控制，無法從國外引進。

中核集團肩負著軍用核動力研發的歷史重任，但關鍵材料鋯合金研發和生產卻游離于反應堆核心技術以外，已成為裝備發展“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及工程化應用。因此，以中核集團為主體組建從研發、工程化試制到生產的完整的軍用鋯合金產業鏈，實現了軍用鋯合金的技術發展，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，未來我國對鋯合金的需求量非常大，在此之前，我國沒有自主知識產權的鋯合金材料，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成功，掌握了鋯合金生產的關鍵技術，建立了具有主動權的鋯合金產業鏈，解決了制約核電發展的鋯材生產問題。中核集團深厚的技術沉淀和積累，最有條件成為我國自主品牌鋯合金研發和生產的龍頭，這對避免受制于人、擺脫行業壟斷、提升我國核電能源安全具有重大的戰略意義。

4、啟示

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

一是在關鍵基礎材料的研發方面，需堅定不移地貫徹執行軍民融合深度發展戰略，堅持“軍民融合”式發展，實現科技軍民融合。

二是N36 工程化產品技術經濟性達到國際先進水平，提升了我國鋯合金研發領域的科技創新能力和軍民兩用核燃料元件研發能力，技創新是社會發展之根本。

三是N36 鋯合金實現工程化，有力支撐了我國核電“走出去”戰略的實現，其研發經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保障，軍民融合是發展之路。

四是N36 鋯合金科研成果成功實現了向制造企業的技術轉化，表明要打造強有力的科技創新體系，科技成果轉化是重點。注：隨著時代的發展，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：中國核動力研究設計院第四研究所)