加速器驅動次臨界ADS（Accelerator Driven Subcritical）系統(tǒng)是未來先進核嬗變能系統(tǒng)，不僅可以用以處理高放核廢料，將其變?yōu)榈头藕藦U料，還可以利用期間產生的核能發(fā)電。ADS系統(tǒng)由加速器、散裂靶、反應堆三部分組成，其中散裂靶用結構材料需要同時具有耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕等性能，目前國內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。
在中科院核能先導專項“未來先進核裂變能—ADS嬗變系統(tǒng)”的支助下，中國科學院金屬研究所楊柯、單以銀研究團隊在過去的5年時間內，完成了具有自主知識產權的散裂靶用結構材料—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、組織設計與優(yōu)化，及其各項性能的評價與研究等多方面工作，申請與SIMP鋼相關發(fā)明專利10余項。
SIMP鋼的制備是決定其性能的關鍵，其制備的難點主要有：難熔金屬元素的熔解、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，課題組相繼完成了近百爐25公斤級實驗室規(guī)模SIMP鋼的冶煉，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的研究經驗。在2012年完成了500公斤級SIMP鋼的冶煉，成分得到嚴格控制，其中S含量可低至5ppm。2013年對SIMP鋼的成分進行了進一步的優(yōu)化，并完成了1噸級SIMP鋼的冶煉，同時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SIMP鋼的冶煉，明確了鑄錠在規(guī)模增大后可能產生的制備技術難點，如成分均勻性問題。在總結以上冶煉經驗的基礎上，于2015年9月采用真空感應+真空自耗的工藝方法成功完成了5噸級SIMP鋼的第一輪冶煉。SIMP鋼的制備過程由小到大的整個歷程如圖1所示。5噸級SIMP鋼鑄錠形貌如圖2所示?；瘜W成分分析結果表明，5噸級鑄錠的主元素均為最佳成分點，S、P等雜質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SIMP鋼獲得了全馬氏體的目標組織，各項常規(guī)力學性能均優(yōu)于核電目前用同類鋼種T91鋼。2016年1月完成了5噸級SIMP鋼的第二輪冶煉，進一步完善和固化了SIMP鋼的大規(guī)模冶煉工藝。
5噸級SIMP鋼的成功制備，標志著ADS系統(tǒng)用散裂靶結構材料已達到工業(yè)化成熟階段，我國已擁有了具有自主知識產權的耐高溫、抗輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕新型結構材料，使我國在核用結構鋼方面的研究開發(fā)達到了國際先進水平，可大大地推動中國ADS核嬗變系統(tǒng)的研究進程。
圖1 SIMP鋼的制備從25kg到5噸級的歷程
圖2 5噸級SIMP鋼鑄錠（真空感應+真空自耗）
圖3 5噸級SIMP鋼熱處理后的顯微組織
