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中國科學院金屬研究所研制的“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）用結(jié)構(gòu)高溫合金”獲得突破

2016-09-28 12:47:36 作者：本網(wǎng)整理來源：中國科學院金屬研究所分享至：

釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)是第四代先進核反應(yīng)堆型之一，它使用高溫液體熔融鹽作為燃料，由于燃料具有流動性，可直接作為冷卻劑，不需要使用冷卻水或者液態(tài)金屬作為燃料冷卻劑，液體燃料可直接進入熱交換器中進行熱量交換。因此熔鹽堆具有經(jīng)濟性、安全性，而且燃料使用率高、核擴散風險低等特點。

釷基熔鹽堆中的結(jié)構(gòu)合金材料主要用于容納第一回路、第二回路及熱交換回路中的熔鹽。由于熔鹽堆中流動的是高溫熔融液體，而且熔鹽具有很強的化學腐蝕性和較高的中子通量輻射，熔鹽堆用結(jié)構(gòu)合金材料必須同時具有較高的抗中子輻照性能、抗氟化物熔鹽腐蝕性能、優(yōu)異的長時組織和力學穩(wěn)定性，合金研制難度較大。

2011年，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項《未來先進核裂變能-釷基熔鹽核能系統(tǒng)》啟動，金屬所高溫合金研究部和特殊環(huán)境材料研究部承擔了熔鹽堆關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)材料及焊材、管材等的研制任務(wù)。十二五期間，課題組完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的抗輻照、耐熔鹽腐蝕、中溫下（650℃~700℃）有較高使用強度和高穩(wěn)定性的熔鹽堆用結(jié)構(gòu)合金的成分設(shè)計與組織優(yōu)化，以及合金全面性能評測、工程化應(yīng)用等研究工作，申請相關(guān)專利8項，該合金發(fā)明專利已獲得了授權(quán)（GH3535）。

GH3535合金研制中面臨的主要難點包括：合金微量元素的控制、大錠型組織偏析問題、熱加工開裂控制、熱加工工件性能穩(wěn)定性控制等。自2011年起，課題組相繼完成了近百爐25公斤級實驗室規(guī)模的合金冶煉，在主元素和微量元素的控制以及高溫合金純凈化冶煉方面積累了豐富的研究經(jīng)驗，通過對錠型的均勻化擴散退火，降低了合金中鏈狀碳化物聚集等偏析現(xiàn)象，并通過Gleeble熱模擬實驗等，積累了大量熱加工工藝參數(shù)。2012年，完成了噸級合金錠的制備，成分得到嚴格控制，其中B含量可低至1ppm以內(nèi)。2013年對合金成分進一步優(yōu)化，聯(lián)合撫順特鋼公司進行了3噸錠型的制備，同時為項目總體單位（上海應(yīng)物所）提供了研究所需的熱軋棒材、各種鍛件以及焊接材料和管材等。2014年完成了6噸級合金的冶煉，攻克了鑄錠增大出現(xiàn)的偏析加劇、鍛造開坯開裂等難題，并成功制備高溫合金大尺寸熱軋寬厚板和熱軋環(huán)試驗件。2015年底，根據(jù)項目總體單位需求，開展了熔鹽仿真堆所需蓋板及圍桶的研制。蓋板及圍桶最大單件凈重達到了6.5噸，課題組聯(lián)合撫順特鋼公司，采用真空感應(yīng)+真空自耗的工藝方法完成了12噸級合金的冶煉（圖1），隨后克服種種困難，成功對該錠型進行了鍛造開坯及后續(xù)工件的制備（圖2）。利用該錠型制備的大尺寸環(huán)軋件（直徑3100mm×高500mm×厚40mm）、大尺寸熱軋寬厚板（長3100mm×寬3100mm×厚80mm、長5000mm×寬2500mm×厚40mm）是國內(nèi)外高溫合金體系中最大的單體尺寸構(gòu)件（圖3）。大尺寸構(gòu)件經(jīng)解剖分析，合金組織及性能完全達到或超過了國外同類產(chǎn)品（Hastelloy N合金）的性能指標。圖4為環(huán)軋件解剖后的組織形貌，及解剖取樣性能測試后與國外合金典型性能對比。

GH3535合金12噸級錠型的成功制備，標志著釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）用結(jié)構(gòu)高溫合金材料已進入工程化應(yīng)用階段，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐熔鹽腐蝕、耐高溫、抗輻照新型結(jié)構(gòu)材料將為我國先進釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的研發(fā)奠定堅實的材料基礎(chǔ)。

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圖1 雙真空熔煉的12噸錠型（Φ 0.92m×1.69m）及原始鑄態(tài)組織和擴散退火后組織