探“核”者

武光磊

截至2015年9月，我國(guó)核電裝機(jī)容量達(dá)到2414萬(wàn)千瓦，躋身世界第5名，在建規(guī)模則雄踞全球之首。我國(guó)“十三五”綱要也明確提出，要建設(shè)5座中低放射性廢物處置場(chǎng)和1個(gè)高放射性廢物處理地下實(shí)驗(yàn)室。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)核電發(fā)電量占比將進(jìn)一步提升至8%～10%，未來(lái)15年核電發(fā)電量將保持快速增長(zhǎng)：2015年全國(guó)核電發(fā)電量達(dá)1689億千瓦時(shí)，同比增加30%，約減少燃煤5373萬(wàn)噸。由此看來(lái)，核電作為“清潔，高效，安全”能源在未來(lái)將繼續(xù)保持其不可估量的潛力。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員，“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席，中組部“青年千人計(jì)劃”入選者都時(shí)禹是核研究大家庭中的一員，他主要利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和材料基因設(shè)計(jì)方法從事關(guān)鍵核能材料的理論研究，包括先進(jìn)核燃料和核材料的材料基因設(shè)計(jì)，核燃料和核材料的多尺度結(jié)構(gòu)和輻照熱一力學(xué)行為預(yù)測(cè)。為了國(guó)家能源需求，為了綠色生態(tài)發(fā)展，都時(shí)禹時(shí)刻奮戰(zhàn)在科研前線。

投身核領(lǐng)域

都時(shí)禹在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系完成本科學(xué)習(xí)后赴美留學(xué)，在美國(guó)普渡大學(xué)化學(xué)系獲得博士學(xué)位。2009年，都時(shí)禹至美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室任博士后研究員和客座科學(xué)家。在實(shí)驗(yàn)室，他主要承擔(dān)核燃料和核材料關(guān)鍵物理性質(zhì)的理論計(jì)算工作，期間他利用理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)了二氧化鈾熱導(dǎo)的各向異性，并獲得了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這一工作被認(rèn)作是二氧化鈾燃料近年來(lái)理論研究中的重要突破。歲月如梭，都時(shí)禹于2014年全職回國(guó)后，落戶中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，研究方向繼續(xù)延續(xù)了此前的利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)從事核能等能源材料的理論計(jì)算。

從化學(xué)到材料學(xué)研究，從非核材料到核能材料，表面上看來(lái)差異明顯。但在都時(shí)禹眼中，核材料的演化離不開(kāi)化學(xué)這樣的基礎(chǔ)科學(xué)，后者是前者的基礎(chǔ)，前者引導(dǎo)后者的發(fā)展，二者密不可分。都時(shí)禹很好地掌握了化學(xué)、材料學(xué)、核工程等不同學(xué)科的特點(diǎn)，使之融合統(tǒng)一.完成了從領(lǐng)域間的跨越交叉。關(guān)于學(xué)科差別的問(wèn)題，他的回答是“運(yùn)用的知識(shí)會(huì)有些許差別.但研究的成果卻是互補(bǔ)的。比如在核材料中人們關(guān)注熱學(xué)和力學(xué)，這跨出了化學(xué)本身的知識(shí)范疇，但如果把化學(xué)反應(yīng)和不同熱學(xué)場(chǎng)、力學(xué)場(chǎng)所構(gòu)造的輻照環(huán)境有機(jī)結(jié)合在一起，就能夠更加深入地了解核材料的服役行為”可以看出，良好的化學(xué)背景讓都時(shí)禹在核領(lǐng)域更加游刃有余。

核反應(yīng)堆核心部件的設(shè)計(jì)是都時(shí)禹研究工作的重要應(yīng)用之一。核反應(yīng)堆主要依靠核燃料發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生能量，再通過(guò)第一回路、第二回路從而帶動(dòng)渦輪發(fā)電。“核能發(fā)電的原理已經(jīng)在物理學(xué)中研究充分了，但核反應(yīng)堆用材料的升級(jí)換代則是長(zhǎng)時(shí)間的課題。我們研究的是最核心部件的設(shè)計(jì)篩選，性能優(yōu)良的材料可以提高反應(yīng)堆的壽命和安全性，”換句話說(shuō)，如果某種核材料使得系統(tǒng)燃耗提高，同時(shí)安全性好且有容錯(cuò)性，即使事故發(fā)生也不會(huì)導(dǎo)致核泄漏，這就是人們所追求的核材料。但是，在實(shí)驗(yàn)室階段又如何評(píng)判設(shè)計(jì)的好與壞？這里面就涉及到很多核燃料性能預(yù)測(cè)和表征的問(wèn)題。都時(shí)禹的工作就是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)進(jìn)行服役行為預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)材料制備工藝的選擇。據(jù)都時(shí)禹介紹，核材料制備過(guò)程中最大的特點(diǎn)是“慢”且成本高，這是因?yàn)樽鲋凶虞椪諏?shí)驗(yàn)可能需要幾個(gè)月，甚至幾年，且價(jià)格昂貴。“如此一來(lái)在時(shí)間上等不起，經(jīng)費(fèi)上負(fù)擔(dān)重，我們因此通過(guò)計(jì)算模擬的方式，在短時(shí)間預(yù)測(cè)出核材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化的情況，再根據(jù)所得結(jié)果去進(jìn)一步設(shè)計(jì)材料”這樣就克服了單純依靠實(shí)驗(yàn)研究的缺陷，“我們計(jì)算方法也在不斷發(fā)展改進(jìn)，以獲得更加精準(zhǔn)的結(jié)果，盡管計(jì)算機(jī)模擬不可能完全代替實(shí)驗(yàn)，但是能夠起到不可或缺的指導(dǎo)作用?！彼麧M懷信心地說(shuō)。

回國(guó)之初，都時(shí)禹沒(méi)有自己的團(tuán)隊(duì)，一切從零開(kāi)始，擺在他面前的是一個(gè)又一個(gè)難題。但事在人為，他點(diǎn)點(diǎn)滴滴逐漸積累，工作逐步進(jìn)入了正軌。目前，都時(shí)禹已經(jīng)建立了“能源材料理論計(jì)算與模擬”團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到15人。

2014年，都時(shí)禹主持了中國(guó)科學(xué)院交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“關(guān)鍵核能技術(shù)交叉團(tuán)隊(duì)”?！拔覀兿Ｍ讯鄠€(gè)核基礎(chǔ)科學(xué)的優(yōu)勢(shì)單位集中起來(lái)，做一個(gè)凝聚中科院所和大學(xué)的大合作研究”，據(jù)都時(shí)禹介紹，團(tuán)隊(duì)成員分別來(lái)自北京大學(xué)、國(guó)家核電技術(shù)公司、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、蘇州大學(xué)，其中1位杰出青年基金獲得者，4位國(guó)家青年千人計(jì)劃獲得者，3位中科院百人計(jì)劃獲得者，6位教授或研究員。都時(shí)禹認(rèn)為，“我們雖然都是從事核材料這個(gè)大方向，卻是從不同角度探索這個(gè)領(lǐng)域，從一個(gè)個(gè)具體問(wèn)題出發(fā)，各單位發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)之處，取長(zhǎng)補(bǔ)短，交叉學(xué)科的意味體現(xiàn)的尤為突出?！?/p>

目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在三元層狀陶瓷材料和碳化硅復(fù)合材料等核包殼材料的制備和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型核素吸附材料開(kāi)發(fā)、新型鑭系元素分離方法設(shè)計(jì)、核材料輻照行為理論預(yù)測(cè)等方面取得顯著成果。此交叉團(tuán)隊(duì)不僅加強(qiáng)了中科院和聯(lián)合單位在關(guān)鍵核能技術(shù)上的研究積累，也對(duì)培養(yǎng)我國(guó)在該領(lǐng)域的人才梯隊(duì)起到積極的作用。

筑造夢(mèng)想

在核材料中的一個(gè)非常重要的部件稱(chēng)為“包殼”，是核燃料的容器?！叭绻牧W(xué)強(qiáng)度不合格，或者導(dǎo)熱性不佳，都會(huì)直接降低整個(gè)反應(yīng)堆的性能”。之前一直使用的是鋯合金材料包殼，但在福島核事件后，人們提出了一個(gè)新的概念，即“容錯(cuò)燃料系統(tǒng)”。所謂的“容錯(cuò)”就是可以容忍事故.因?yàn)槭鹿士傇诎l(fā)生且無(wú)法避免，比如地震、斷電等常見(jiàn)現(xiàn)象，因而人們關(guān)注的是如何避免事故引發(fā)災(zāi)難。而“容錯(cuò)”對(duì)于包殼一般而言強(qiáng)調(diào)兩個(gè)特性.第一是抗腐蝕性，能夠與冷卻劑相容；第二是輻照穩(wěn)定性.能夠在核燃料中子輻照環(huán)境下保持服役期的力學(xué)強(qiáng)度?；谶@兩點(diǎn)，人們提出了對(duì)鋯合金改造的諸多設(shè)想。

一種是在材料表面加上一層抗腐蝕性涂層：一種是用新材料替換鋯合金包殼。對(duì)于后者，都時(shí)禹在2016年7月正式牽頭立項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)——多尺度集成化高通量計(jì)算模型、算法和軟件。項(xiàng)目打破傳統(tǒng)材料研發(fā)模式，利用材料基因研究方法開(kāi)展新型包殼材料的研究與開(kāi)發(fā)，探索和建立FecrAl、zr合金材料研究的“理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的研發(fā)模式。

對(duì)于新材料的攻關(guān)，都時(shí)禹坦言，難度不是一般的大。作為項(xiàng)目首席，他根據(jù)項(xiàng)目需求聯(lián)合了哈爾濱工程大學(xué)，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，清華大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等多家優(yōu)勢(shì)單位，有效地組建了一支114人的研究團(tuán)隊(duì)。他們致力于開(kāi)發(fā)基于模塊化設(shè)計(jì)的通用計(jì)算軟件系統(tǒng)，基于材料基因大數(shù)據(jù)思想，實(shí)現(xiàn)材料基因的智能設(shè)計(jì)。預(yù)期依托項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的通用性軟件將應(yīng)用于新材料開(kāi)發(fā)研究相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域，為我國(guó)的新材料設(shè)計(jì)制造提供新的研究手段。此外，面向FecrAl和zr合金包殼材料的理論計(jì)算和輻照性能研究，有望縮短FecrAl、zr合金包殼材料的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，有效推動(dòng)新型包殼材料的廣泛應(yīng)用，對(duì)我國(guó)容錯(cuò)燃料系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)起到重要支撐作用。

回首過(guò)去，都時(shí)禹發(fā)現(xiàn)以前學(xué)習(xí)的知識(shí)都在盡其其用，因此他在為自己能夠一直從事自己喜歡的科研工作而感恩的同時(shí)，也在不斷的積累知識(shí)擴(kuò)充自己?！白霾牧峡茖W(xué)就是如此，要面對(duì)不同的工業(yè)領(lǐng)域，這是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程”。他說(shuō)，是霍金的《時(shí)間簡(jiǎn)史》徹底激發(fā)了他主動(dòng)求知的欲望，促使他在學(xué)習(xí)邊實(shí)踐的過(guò)程中不斷提升著自己的科研水平?？蒲袩o(wú)止境，都時(shí)禹將在科研道路上不斷前進(jìn)和磨練。我們期待他和他的團(tuán)隊(duì)在科研道路上帶來(lái)更多新的成果。