金屬所等成功制備ADS系統(tǒng)用5噸級(jí)SIMP鋼

　　加速器驅(qū)動(dòng)次臨界ADS（Accelerator Driven subcritical System）系統(tǒng)由加速器、散裂靶、反應(yīng)堆三部分組成，被認(rèn)為是安全處理核廢料最具前景的技術(shù)方案。其中，散裂靶系統(tǒng)用結(jié)構(gòu)材料需要同時(shí)具有耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕等性能，目前國(guó)內(nèi)外還沒有可供參比的同類材料，因此其研發(fā)具有挑戰(zhàn)性。

　　在中國(guó)科學(xué)院“未來先進(jìn)核裂變能—ADS嬗變系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助下，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所楊柯、單以銀研究團(tuán)隊(duì)與近代物理研究所王志光研究團(tuán)隊(duì)密切合作，在過去的5年內(nèi)完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的散裂靶用結(jié)構(gòu)材料——新型耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕馬氏體耐熱鋼——SIMP鋼的成分、組織設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及各項(xiàng)性能的評(píng)價(jià)與研究等系統(tǒng)性工作，申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

　　SIMP鋼的制備是決定其性能的關(guān)鍵，其難點(diǎn)主要在于熔金屬元素的熔解、超純鐵的制備、易活化元素含量的控制、成分均勻性控制、全部馬氏體組織的獲得等。自2011年起，課題組相繼完成了近百爐25公斤級(jí)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模SIMP鋼冶煉，在SIMP鋼的主元素和活化元素的控制以及鋼的純凈化冶煉方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。2012年完成了500公斤級(jí)SIMP鋼的冶煉，成分得到嚴(yán)格控制，其中S含量可低至5ppm。2013年對(duì)SIMP鋼的成分進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，并完成了1噸級(jí)SIMP鋼的冶煉，同時(shí)為其它研究組提供了研究所需的焊接材料和管材。2014年完成了2噸級(jí)SIMP鋼的冶煉，明確了鑄錠在規(guī)模增大后可能產(chǎn)生的制備技術(shù)難點(diǎn)，如成分均勻性問題等。在總結(jié)以上冶煉經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2015年9月采用真空感應(yīng)+真空自耗的工藝方法成功完成了5噸級(jí)SIMP鋼的第一輪冶煉（制備過程如圖1所示，5噸級(jí)鑄錠形貌如圖2所示）?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明，5噸級(jí)鑄錠的主元素均為最佳成分點(diǎn)，S、P等雜質(zhì)元素含量均控制在極低水平，Ni、Mo、Al、Nb、Ti、Co等各類活化元素的含量也均控制在極低水平。鍛造和熱處理后的顯微組織形貌觀察表明（圖3），5噸級(jí)SIMP鋼獲得了全馬氏體的目標(biāo)組織，各項(xiàng)常規(guī)力學(xué)性能均優(yōu)于目前核電用同類鋼種T91鋼。2016年1月完成了5噸級(jí)SIMP鋼的第二輪冶煉，進(jìn)一步完善和固化了SIMP鋼的大規(guī)模冶煉工藝。

    5噸級(jí)SIMP鋼的成功制備，標(biāo)志著ADS系統(tǒng)用散裂靶結(jié)構(gòu)材料已達(dá)到工業(yè)化成熟階段，我國(guó)已擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐高溫、抗輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕的新型結(jié)構(gòu)材料，使我國(guó)在核用結(jié)構(gòu)鋼方面的研究開發(fā)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，必將大大推動(dòng)我國(guó)ADS嬗變系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。

圖1  SIMP鋼的制備從25kg到5噸級(jí)的歷程

圖2  5噸級(jí)SIMP鋼鑄錠（真空感應(yīng)+真空自耗）

圖3  5噸級(jí)SIMP鋼熱處理后的顯微組織