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截至2015年9月,我国核电装机容量达到2414万千瓦,跻身世界第5名,在建规模则雄踞全球之首.我国“十三五”纲要也明确提出,要建设5座中低放射性废物处置场和1个高放射性废物处理地下实验室.预计到2030年,我国核电发电量占比将进一步提升至8%～10%,未来15年核电发电量将保持快速增长：2015年全国核电发电量达1689亿千瓦时,同比增加30%,约减少燃煤5373万吨.由此看来,核电作为“清洁,高效,安全”能源在未来将继续保持其不可估量的潜力.
中国科学院宁波材料技术和工程研究所研究员,“十三五”国家重点研发计划项目首席,中组部“青年千人计划”入选者都时禹是核研究大家庭中的一员,他主要利用计算机模拟技术和材料基因设计方法从事关键核能材料的理论研究,包括先进核燃料和核材料的材料基因设计,核燃料和核材料的多尺度结构和辐照热一力学行为预测.为了国家能源需求,为了绿色生态发展,都时禹时刻奋战在科研前线.
投身核领域
都时禹在中国科学技术大学化学系完成本科学习后赴美留学,在美国普渡大学化学系获得博士学位.2009年,都时禹至美国洛斯阿拉莫斯国家实验室任博士后研究员和客座科学家.在实验室,他主要承担核燃料和核材料关键物理性质的理论计算工作,期间他利用理论计算发现了二氧化铀热导的各向异性,并获得了实验验证,这一工作被认作是二氧化铀燃料近年来理论研究中的重要突破.岁月如梭,都时禹于2014年全职回国后,落户中国科学院宁波材料技术和工程研究所,研究方向继续延续了此前的利用计算机模拟技术从事核能等能源材料的理论计算.
从化学到材料学研究,从非核材料到核能材料,表面上看来差异明显.但在都时禹眼中,核材料的演化离不开化学这样的基础科学,后者是前者的基础,前者引导后者的发展,二者密不可分.都时禹很好地掌握了化学、材料学、核工程等不同学科的特点,使之融合统一.完成了从领域间的跨越交叉.关于学科差别的问题,他的回答是“运用的知识会有些许差别.但研究的成果却是互补的.比如在核材料中人们关注热学和力学,这跨出了化学本身的知识范畴,但如果把化学反应和不同热学场、力学场所构造的辐照环境有机结合在一起,就能够更加深入地了解核材料的服役行为”可以看出,良好的化学背景让都时禹在核领域更加游刃有余.
核反应堆核心部件的设计是都时禹研究工作的重要应用之一.核反应堆主要依靠核燃料发生裂变反应产生能量,再通过第一回路、第二回路从而带动涡轮发电.“核能发电的原理已经在物理学中研究充分了,但核反应堆用材料的升级换代则是长时间的课题.我们研究的是最核心部件的设计筛选,性能优良的材料可以提高反应堆的寿命和安全性,”换句话说,如果某种核材料使得系统燃耗提高,同时安全性好且有容错性,即使事故发生也不会导致核泄漏,这就是人们所追求的核材料.但是,在实验室阶段又如何评判设计的好和坏?这里面就涉及到很多核燃料性能预测和表征的问题.都时禹的工作就是通过计算机仿真来进行服役行为预测,从而指导材料制备工艺的选择.据都时禹介绍,核材料制备过程中最大的特点是“慢”且成本高,这是因为做中子辐照实验可能需要几个月,甚至几年,且价格昂贵.“如此一来在时间上等不起,经费上负担重,我们因此通过计算模拟的方式,在短时间预测出核材料结构性质变化的情况,再根据所得结果去进一步设计材料”这样就克服了单纯依靠实验研究的缺陷,“我们计算方法也在不断发展改进,以获得更加精准的结果,尽管计算机模拟不可能完全代替实验,但是能够起到不可或缺的指导作用.”他满怀信心地说.
回国之初,都时禹没有自己的团队,一切从零开始,摆在他面前的是一个又一个难题.但事在人为,他点点滴滴逐渐积累,工作逐步进入了正轨.目前,都时禹已经建立了“能源材料理论计算和模拟”团队,团队规模已经达到15人.
2014年,都时禹主持了中国科学院交叉创新团队项目“关键核能技术交叉团队”.“我们希望把多个核基础科学的优势单位集中起来,做一个凝聚中科院所和大学的大合作研究”,据都时禹介绍,团队成员分别来自北京大学、国家核电技术公司、中科院合肥物质科学研究院、苏州大学,其中1位杰出青年基金获得者,4位国家青年千人计划获得者,3位中科院百人计划获得者,6位教授或研究员.都时禹认为,“我们虽然都是从事核材料这个大方向,却是从不同角度探索这个领域,从一个个具体问题出发,各单位发挥各自的优势之处,取长补短,交叉学科的意味体现的尤为突出.”
目前,团队已经在三元层状陶瓷材料和碳化硅复合材料等核包壳材料的制备和微结构设计、新型核素吸附材料开发、新型镧系元素分离方法设计、核材料辐照行为理论预测等方面取得显著成果.此交叉团队不仅加强了中科院和联合单位在关键核能技术上的研究积累,也对培养我国在该领域的人才梯队起到积极的作用.
筑造梦想
在核材料中的一个非常重要的部件称为“包壳”,是核燃料的容器.“如果它的力学强度不合格,或者导热性不佳,都会直接降低整个反应堆的性能”.之前一直使用的是锆合金材料包壳,但在福岛核事件后,人们提出了一个新的概念,即“容错燃料系统”.所谓的“容错”就是可以容忍事故.因为事故总在发生且无法避免,比如地震、断电等常见现象,因而人们关注的是如何避免事故引发灾难.而“容错”对于包壳一般而言强调两个特性.第一是抗腐蚀性,能够和冷却剂相容；第二是辐照稳定性.能够在核燃料中子辐照环境下保持服役期的力学强度.基于这两点,人们提出了对锆合金改造的诸多设想.
一种是在材料表面加上一层抗腐蚀性涂层：一种是用新材料替换锆合金包壳.对于后者,都时禹在2016年7月正式牵头立项国家重点研发计划“材料基因工程关键技术和支撑平台”重点专项——多尺度集成化高通量计算模型、算法和软件.项目打破传统材料研发模式,利用材料基因研究方法开展新型包壳材料的研究和开发,探索和建立FecrAl、zr合金材料研究的“理论预测、实验验证”的研发模式.
对于新材料的攻关,都时禹坦言,难度不是一般的大.作为项目首席,他根据项目需求联合了哈尔滨工程大学,中国核动力研究设计院,中国科学院宁波材料技术和工程研究所,清华大学,复旦大学等多家优势单位,有效地组建了一支114人的研究团队.他们致力于开发基于模块化设计的通用计算软件系统,基于材料基因大数据思想,实现材料基因的智能设计.预期依托项目开发的通用性软件将应用于新材料开发研究相关的多个领域,为我国的新材料设计制造提供新的研究手段.此外,面向FecrAl和zr合金包壳材料的理论计算和辐照性能研究,有望缩短FecrAl、zr合金包壳材料的研发周期,降低研发成本,有效推动新型包壳材料的广泛应用,对我国容错燃料系统的开发起到重要支撑作用.
回首过去,都时禹发现以前学习的知识都在尽其其用,因此他在为自己能够一直从事自己喜欢的科研工作而感恩的同时,也在不断的积累知识扩充自己.“做材料科学就是如此,要面对不同的工业领域,这是一个不断学习的过程”.他说,是霍金的《时间简史》彻底激发了他主动求知的 ,促使他在學习边实践的过程中不断提升着自己的科研水平.科研无止境,都时禹将在科研道路上不断前进和磨练.我们期待他和他的团队在科研道路上带来更多新的成果.
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