金属所等成功制备ADS系统用5吨级SIMP钢

　　加速器驱动次临界ADS（Accelerator Driven subcritical System）系统由加速器、散裂靶、反应堆三部分组成，被认为是安全处理核废料最具前景的技术方案。其中，散裂靶系统用结构材料需要同时具有耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀等性能，目前国内外还没有可供参比的同类材料，因此其研发具有挑战性。

　　在中国科学院“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”战略性先导科技专项的资助下，中国科学院金属研究所杨柯、单以银研究团队与近代物理研究所王志光研究团队密切合作，在过去的5年内完成了具有自主知识产权的散裂靶用结构材料——新型耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀马氏体耐热钢——SIMP钢的成分、组织设计与优化以及各项性能的评价与研究等系统性工作，申请相关发明专利10余项。

　　SIMP钢的制备是决定其性能的关键，其难点主要在于熔金属元素的熔解、超纯铁的制备、易活化元素含量的控制、成分均匀性控制、全部马氏体组织的获得等。自2011年起，课题组相继完成了近百炉25公斤级的实验室规模SIMP钢冶炼，在SIMP钢的主元素和活化元素的控制以及钢的纯净化冶炼方面积累了丰富经验。2012年完成了500公斤级SIMP钢的冶炼，成分得到严格控制，其中S含量可低至5ppm。2013年对SIMP钢的成分进行了进一步优化，并完成了1吨级SIMP钢的冶炼，同时为其它研究组提供了研究所需的焊接材料和管材。2014年完成了2吨级SIMP钢的冶炼，明确了铸锭在规模增大后可能产生的制备技术难点，如成分均匀性问题等。在总结以上冶炼经验的基础上，于2015年9月采用真空感应+真空自耗的工艺方法成功完成了5吨级SIMP钢的第一轮冶炼（制备过程如图1所示，5吨级铸锭形貌如图2所示）。化学成分分析结果表明，5吨级铸锭的主元素均为最佳成分点，S、P等杂质元素含量均控制在极低水平，Ni、Mo、Al、Nb、Ti、Co等各类活化元素的含量也均控制在极低水平。锻造和热处理后的显微组织形貌观察表明（图3），5吨级SIMP钢获得了全马氏体的目标组织，各项常规力学性能均优于目前核电用同类钢种T91钢。2016年1月完成了5吨级SIMP钢的第二轮冶炼，进一步完善和固化了SIMP钢的大规模冶炼工艺。

    5吨级SIMP钢的成功制备，标志着ADS系统用散裂靶结构材料已达到工业化成熟阶段，我国已拥有具有自主知识产权的耐高温、抗辐照、耐液态金属腐蚀的新型结构材料，使我国在核用结构钢方面的研究开发达到了国际先进水平，必将大大推动我国ADS嬗变系统的研发进程。

图1  SIMP钢的制备从25kg到5吨级的历程

图2  5吨级SIMP钢铸锭（真空感应+真空自耗）

图3  5吨级SIMP钢热处理后的显微组织