本刊記者 武光磊

探“核”者
——記中國科學院寧波材料技術(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

都時禹在中國科學技術(shù)大學化學系完成本科學習后赴美留學，在美國普渡大學化學系獲得博士學位。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家。在實驗室，他主要承擔核燃料和核材料關(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。

從化學到材料學研究，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這樣的基礎(chǔ)科學，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、材料學、核工程等不同學科的特點，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)注熱學和力學，這跨出了化學本身的知識范疇，但如果把化學反應(yīng)和不同熱學場、力學場所構(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?！叭绱艘粊碓跁r間上等不起，經(jīng)費上負擔重，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)科學的優(yōu)勢單位集中起來，做一個凝聚中科院所和大學的大合作研究”，據(jù)都時禹介紹，團隊成員分別來自北京大學、國家核電技術(shù)公司、中科院合肥物質(zhì)科學研究院、蘇州大學，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強度?；谶@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，中國核動力研究設(shè)計院，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所，清華大學，復(fù)旦大學等多家優(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)以前學習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?！白霾牧峡茖W就是如此，要面對不同的工業(yè)領(lǐng)域，這是一個不斷學習的過程”。他說，是霍金的《時間簡史》徹底激發(fā)了他主動求知的欲望，促使他在學習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。