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李正操:把握关键防护技术 助力中国核工业再创辉煌

2016-11-10 11:14:05
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面科普核电站防腐知识,了解核电站防腐方面的关键技术, 对比国内外的技术差异等,记者特邀请到清华大学材料学院李正操教授做相关方面精彩解读。

    近几年,核电与高铁已成为中国在世界外交上的两张闪亮“名片”。核能是未来支撑人类社会发展的重要动力能源,随着“一带一路”战略的推进, 中国正成为世界核电发展产业中心,中国核电在不断地向国际化突破,掀“走出去”热潮,越来越多的核电站由中国投资并参与建设。然机遇与挑战并存。发展核电,装备先行。制约核电发展的瓶颈,仍是技术能力和装备水平的问题。我国的核电站主要建设在沿海地区,核电设备材料在海洋大气环境中的腐蚀情况尤为突出。为了全面科普核电站防腐知识,了解核电站防腐方面的关键技术, 对比国内外的技术差异等,记者特邀请到清华大学材料学院李正操教授做相关方面精彩解读。


    李正操,清华大学材料学院教授、博士生导师。研究方向主要为材料辐照效应及应用、核材料及系统的寿命与安全。现为国际(核电厂)维护科学与技术大会主席、国际辐照损伤机制委员会委员、CNPEC 国际顾问委员会委员、国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心技术委员会委员。

 

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清华大学材料学院李正操教授


    记者:您多年来一直从事材料辐照效应及应用、核材料寿命与安全等教学科研工作,请您谈谈这些科研工作对核电工业发展的意义?


    李教授:
教学和科研工作对于核电工业发展影响意义深远。国内的核电行业起步较晚,但是发展非常迅速。从上世纪90 年代的秦山和大亚湾,到现在新建的和计划在建的几十座核电站,这其中的跨越需要大量的核电人才来支撑,包括科研人员、管理人员、技术工程师、技术工人等等。针对这种情况, 高校的人才培养就扮演了举足轻重的角色。我们欣喜地看到,国内许多高校都纷纷开设了核电相关的专业。我们需要做好教学工作,来培养一批高质量专业过硬的核电人才。


    高校的显著优势之一就是多学科融合。核电工程是一个十分庞大、复杂的工程,相应的,核电安全也是一个十分复杂的学科。比如说,裂变反应的核物理专业对反应堆来说非常重要,但是我们还需要许多配套专业来保证反应堆的效率和安全。我们需要材料方面的人才来保障堆内结构材料和防护材料的可靠性;我们需要热能方面的人才来保障堆内热循环的稳定性;我们需要电子方面的人才来保障堆内控制系统的有效运行;我们甚至需要地震方面的人才来评估反应堆在外部灾害下的表现;等等。而且我们还需要跨学科的综合性人才, 来统筹这些问题,来保障这些环节的紧密相扣,而在跨学科人才培养方面,高校拥有得天独厚的优势,应该承担起这个责任。


    科研对于加深我们对核电站安全的理解具有重要意义。核电站的堆芯是一个十分恶劣的工况环境。以我们最常见的压水堆为例,它是一个高温、高压、高辐照的腐蚀水环境。在核电站出现以前,我们的知识库并未涉及这样的领域。没有核安全的科研工作的话,我们就无法预测堆芯在这样的工况环境下,会不会出问题,会出什么样的问题。我们从建设和运行秦山和大亚湾核电站中积累了宝贵的经验,使得我们有了最直接的第一手数据,让我们更加了解各个部件在反应堆中会有怎样的性能表现,以及它们的性能又是怎样随着运行时间而演变。但是我们仍然面临着很多问题,包括:第一,秦山和大亚湾还没有运行到设计寿期,所以我们还没有一套完整的关于核电站整个运行寿命的安全数据。当然,我们也没有关于核电站延寿运行的经验和数据;第二,秦山和大亚湾的经验和数据不能完全照搬到我们现在新建的第三代、第四代反应堆上等等。这些都亟需我们开展更多的研究工作。


    记者:请谈谈您所从事科研领域的发展现状?核电工业设备材料的安全防护会用到哪些关键技术? 怎样做才能把核电工业设备材料的腐蚀、损伤等危害降到最低?


    李教授:
我主要从事的是材料辐照效应、核材料服役行为及反应堆的寿命管理和安全评估。


    在核能系统的关键材料中,我们主要涉及锆合金等包壳材料、不锈钢等结构材料、压力容器钢、石墨等高温堆结构材料等。他们的力学性能、辐照脆化、耐腐蚀性能、结构稳定性等都是核能系统安全关注的重要问题。在轻水堆中, 包壳材料和许多结构材料都是直接暴露在循环水中,所以腐蚀就是一个重要问题。锆合金会从水中吸氢,生成锆的氢化物析出,容易造成锆合金的开裂。不锈钢本身的耐腐蚀性能较佳,但是辐照条件下合金元素Cr 在晶界的含量会显著降低,从而弱化晶界的耐腐蚀性,导致开裂。在高温气冷堆中,石墨虽然是在高纯氦气环境中工作,但是由于高温下石墨本身就是十分易氧化的材料,所以缓慢氧化也是必须考虑的问题。特别是福岛核事故之后,核能行业认识到外部灾害可能造成的损伤也需要纳入到核电站安全管理的体系中来。如果外部灾害导致高温气冷堆发生了进气事故,那么石墨材料作为堆内的结构材料,其表现需要细致的评估。


    优化材料耐腐蚀性的手段,最直接的解决办法之一就是保护涂层。但是因为核电站堆芯是一个复杂严苛的工作环境,保护涂层的选择需要十分的慎重。通过调整锆合金的织构取向,可以间接控制锆氢化物析出取向,从而减轻其危害。此外通过调整材料的合金成分,也能有效改善其在反应堆中的耐辐照、耐腐蚀性能。还有通过在材料中添加二次相析出物(如ODS 合金)或者添加第二相(如二相合金),来改善材料性能。但是,因为核电站是一个安全第一的体系,而堆内又有复杂的服役环境,所以在材料的选择上有时候是比较保守的。对于核电站来说,材料的研发和评估都很重要。正是“天下之患,莫大于不知其然而然。”核安全,是关系人类命运的大事。一种新的材料,或者一种新的技术,需要在各个方面都符合核电站使用的要求,且有可靠详实的数据支撑, 才有可能应用到反应堆中。


    记者:您曾在日本从事教学科研工作,请您谈谈国内外在核材料科研领域有何差别?我们应该如何做才能取长补短?


    李教授:
国外的核电大国,比如美国、法国、日本等,在上世纪60~80 年代就已经积累了大量的科研资料和第一手数据,在核材料的制备和评估上已经比较成熟。他们现在的科研工作,很多时候是在优化细节,寻找目前核安全体系的漏洞和疏忽之处,探寻更好的核材料服役行为的预测模型,从而尽可能减少安全上的不确定因素。


    我国的相关研究相对起步要晚一些,可以学习国外尖端的核材料制备和评估技术,逐步实现核材料的国产化。当然,我们也有很明显的后发优势。目前的核电行业正处在从第二代堆向第三代堆更新的窗口期,而日本的福岛核事故又进一步暴露了第二代堆在设计上的一些短板,让人们深切地认识到,为何要“万无一失”,什么叫“一失万无”。我国目前正以第三代甚至第四代堆为切入点大力发展核电,是一个很好的机会。因为国外的核电大国有大量老旧的二代堆型,他们现有的科研数据、安全章程都是基于二代堆的。这些积累对三代堆当然有一定的借鉴作用,但是有些科研工作还是得重新做起。这相当于是间接缩小了我国与国外的技术差距。


    在我所接触日本核材料科研人员里,大都非常重视数据详实和结论可靠。对于一些模棱两可的疑点,科研人员愿意花时间、花精力去搞明白。他们十分关注工艺细节,愿意花工夫把每一个步骤都规章化、参数化。他们的材料和样品的制备技术先进。我觉得这种愿意深入搞明白问题的探索精神和不放过疑点的认真劲儿值得我们学习。当然,日本的核材料科研也有一些问题。古语说: 不谋全局者,不足谋一域。有时候在细节上花的功夫太多,效率和全局性也可能会受到影响,需要在战略性和具体战术上做到更好的平衡。


   
记者:请您谈谈如何使科研成果更好地实现产业化?


    李教授:
产业化对于核材料研究来说是一个十分重要的议题,因为核材料研究的特点就是直接服务于明确的产业应用。我觉得特别是核材料研究,对于产业化的考虑是需要从始至终贯穿科研工作的。很多时候,科研人员有寻找有趣研究课题的本能,但是我们其实也时时提醒自己,这个工作对核工业能有怎样的贡献?所以说,产业化从一个科研项目立项的时候就开始了。从最开始我们就需要明白,这个项目的内容属于核工业中的哪一环,对核工业的发展可能会起到怎样的作用。


    当然做到这点是很不容易的。这需要科研人员不但在自己的研究领域业务过硬,还需要对整个核工业的发展进程有足够的了解。我们不能把自己局限在核材料科研人员的单一身份上,而需要更加主动地参与到核安全的议题中去。当然,这需要学术界提供一些平台,让不同背景的核安全研究者能够坐在一起交流自己的最新进展。在这方面我们还有很大的提升空间。


  
  后记:我国核电“走出去”是一个大方向,当务之急仍是解决制约核电发展的技术瓶颈和安全瓶颈问题,防患于未然,为核电站安全、稳定运行打下坚实的基础。我们相信中国核电将迎来一个全新的时代!


 
   人物简介


    李正操,满族,1975年生于辽宁铁岭。1994年考入清华大学材料科学与工程系,1999年免试攻读博士学位。2003年获工学博士学位,同年受聘日本东京大学量子工程与系统科学系,任助理教授。后于2006 年回到母校清华大学执教至今。现为清华大学材料学院教授、博士生导师。研究方向主要为材料辐照效应及应用、核材料及系统的寿命与安全。2009年获清华大学学术新人奖,2010年入选北京市科技新星计划, 2011年入选教育部新世纪人才计划,2012年入选清华大学221(基础研究领军人才)计划。现为国际(核电厂)维护科学与技术大会主席、国际辐照损伤机制委员会委员、CNPEC国际顾问委员会委员、国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心技术委员会委员。

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标签: 李正操, 清华大学材料学院, 核电站, 腐蚀

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