探“核”者
——記中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員都時禹

本刊記者 武光磊

探“核”者
——記中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員都時禹

本刊記者 武光磊

攝于中科院寧波材料所

截至2015年9月，我國核電裝機容量達到2414萬千瓦，躋身世界第5名，在建規(guī)模則雄踞全球之首。我國“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和1個高放射性廢物處理地下實驗室。預(yù)計到2030年，我國核電發(fā)電量占比將進一步提升至8%～10%，未來15年核電發(fā)電量將保持快速增長：2015年全國核電發(fā)電量達1689億千瓦時，同比增加30%，約減少燃煤5373萬噸。由此看來，核電作為“清潔，高效，安全”能源在未來將繼續(xù)保持其不可估量的潛力。

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

投身核領(lǐng)域

都時禹在中國科學(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)，在美國普渡大學(xué)化學(xué)系獲得博士學(xué)位。2009年，都時禹至美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室任博士后研究員和客座科學(xué)家。在實驗室，他主要承擔(dān)核燃料和核材料關(guān)鍵物理性質(zhì)的理論計算工作，期間他利用理論計算發(fā)現(xiàn)了二氧化鈾熱導(dǎo)的各向異性，并獲得了實驗驗證，這一工作被認作是二氧化鈾燃料近年來理論研究中的重要突破。歲月如梭，都時禹于2014年全職回國后，落戶中國科學(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)了此前的利用計算機模擬技術(shù)從事核能等能源材料的理論計算。

從化學(xué)到材料學(xué)研究，從非核材料到核能材料，表面上看來差異明顯。但在都時禹眼中，核材料的演化離不開化學(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，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)科差別的問題，他的回答是“運用的知識會有些許差別，但研究的成果卻是互補的。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)本身的知識范疇，但如果把化學(xué)反應(yīng)和不同熱學(xué)場、力學(xué)場所構(gòu)造的輻照環(huán)境有機結(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)計是都時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，再通過第一回路、第二回路從而帶動渦輪發(fā)電?！昂四馨l(fā)電的原理已經(jīng)在物理學(xué)中研究充分了，但核反應(yīng)堆用材料的升級換代則是長時間的課題。我們研究的是最核心部件的設(shè)計篩選，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，如果某種核材料使得系統(tǒng)燃耗提高，同時安全性好且有容錯性，即使事故發(fā)生也不會導(dǎo)致核泄漏，這就是人們所追求的核材料。但是，在實驗室階段又如何評判設(shè)計的好與壞？這里面就涉及到很多核燃料性能預(yù)測和表征的問題。都時禹的工作就是通過計算機仿真來進行服役行為預(yù)測，從而指導(dǎo)材料制備工藝的選擇。據(jù)都時禹介紹，核材料制備過程中最大的特點是“慢”且成本高，這是因為做中子輻照實驗可能需要幾個月，甚至幾年，且價格昂貴。“如此一來在時間上等不起，經(jīng)費上負擔(dān)重，我們因此通過計算模擬的方式，在短時間預(yù)測出核材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化的情況，再根據(jù)所得結(jié)果去進一步設(shè)計材料”這樣就克服了單純依靠實驗研究的缺陷，“我們計算方法也在不斷發(fā)展改進，以獲得更加精準的結(jié)果，盡管計算機模擬不可能完全代替實驗，但是能夠起到不可或缺的指導(dǎo)作用?！彼麧M懷信心地說。

回國之初，都時禹沒有自己的團隊，一切從零開始，擺在他面前的是一個又一個難題。但事在人為，他點點滴滴逐漸積累，工作逐步進入了正軌。目前，都時禹已經(jīng)建立了“能源材料理論計算與模擬”團隊，團隊規(guī)模已經(jīng)達到15人。

2014年，都時禹主持了中國科學(xué)院交叉創(chuàng)新團隊項目“關(guān)鍵核能技術(shù)交叉團隊”?！拔覀兿Ｍ讯鄠€核基礎(chǔ)科學(xué)的優(yōu)勢單位集中起來，做一個凝聚中科院所和大學(xué)的大合作研究”，據(jù)都時禹介紹，團隊成員分別來自北京大學(xué)、國家核電技術(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位國家青年千人計劃獲得者，3位中科院百人計劃獲得者，6位教授或研究員。都時禹認為，“我們雖然都是從事核材料這個大方向，卻是從不同角度探索這個領(lǐng)域，從一個個具體問題出發(fā)，各單位發(fā)揮各自的優(yōu)勢之處，取長補短，交叉學(xué)科的意味體現(xiàn)的尤為突出?！?/p>

目前，團隊已經(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、新型核素吸附材料開發(fā)、新型鑭系元素分離方法設(shè)計、核材料輻照行為理論預(yù)測等方面取得顯著成果。此交叉團隊不僅加強了中科院和聯(lián)合單位在關(guān)鍵核能技術(shù)上的研究積累，也對培養(yǎng)我國在該領(lǐng)域的人才梯隊起到積極的作用。

筑造夢想

在核材料中的一個非常重要的部件稱為“包殼”，是核燃料的容器?！叭绻牧W(xué)強度不合格，或者導(dǎo)熱性不佳，都會直接降低整個反應(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，人們提出了一個新的概念，即“容錯燃料系統(tǒng)”。所謂的“容錯”就是可以容忍事故，因為事故總在發(fā)生且無法避免，比如地震、斷電等常見現(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”對于包殼一般而言強調(diào)兩個特性，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)強度。基于這兩點，人們提出了對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。對于后者，都時禹在2016年7月正式牽頭立項國家重點研發(fā)計劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點專項——多尺度集成化高通量計算模型、算法和軟件。項目打破傳統(tǒng)材料研發(fā)模式，利用材料基因研究方法開展新型包殼材料的研究與開發(fā)，探索和建立FeCrAl、Zr合金材料研究的“理論預(yù)測、實驗驗證”的研發(fā)模式。

對于新材料的攻關(guān)，都時禹坦言，難度不是一般的大。作為項目首席，他根據(jù)項目需求聯(lián)合了哈爾濱工程大學(xué)，中國核動力研究設(shè)計院，中國科學(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)勢單位，有效地組建了一支114人的研究團隊。他們致力于開發(fā)基于模塊化設(shè)計的通用計算軟件系統(tǒng)，基于材料基因大數(shù)據(jù)思想，實現(xiàn)材料基因的智能設(shè)計。預(yù)期依托項目開發(fā)的通用性軟件將應(yīng)用于新材料開發(fā)研究相關(guān)的多個領(lǐng)域，為我國的新材料設(shè)計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，有效推動新型包殼材料的廣泛應(yīng)用，對我國容錯燃料系統(tǒng)的開發(fā)起到重要支撐作用。

回首過去，都時禹發(fā)現(xiàn)以前學(xué)習(xí)的知識都在盡其其用，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，也在不斷的積累知識擴充自己。“做材料科學(xué)就是如此，要面對不同的工業(yè)領(lǐng)域，這是一個不斷學(xué)習(xí)的過程”。他說，是霍金的《時間簡史》徹底激發(fā)了他主動求知的欲望，促使他在學(xué)習(xí)邊實踐的過程中不斷提升著自己的科研水平?？蒲袩o止境，都時禹將在科研道路上不斷前進和磨練。我們期待他和他的團隊在科研道路上帶來更多新的成果。