材料力学在核反应堆安全中的应用：杨博士的十年实践
在中国核电安全体系中,有一项工作格外艰深,却又至关重要——长期服役环境下金属结构材料的裂纹扩展与寿命预测。它位于核电安全保障链条的最深处,常年隐藏在高温、高压、辐照与腐蚀的耦合环境中,极少被公众注意。但正是这项研究,决定着大型核电装备能否稳定服役数十年。
十余年来,西安科技大学工程师、机械工程博士杨宏亮一直默默扎根于这一领域。从本科的机械设计,到硕士的自动化装置,再到博士阶段聚焦核电结构材料的环境致裂问题,他的科研道路看似不断收窄,但却越走越深,逐渐形成了一条属于自己的研究轨迹。
从机械基础到核电材料:科研方向的自然演进
杨宏亮的科研起点并不在核电,而是在机械领域。
本科阶段,他接触了几乎所有机械类学生都会学的课程——力学、材料、机械原理、制图、数控、微机原理与应用。当时的他对结构细节、力学变化有着天然敏感度,常常在绘图室里一坐就是一下午。
硕士阶段,他开始接触自动化、电源柜设计、热学模拟等工程实践。一个关于电器柜内部涡流发热的建模任务,让他第一次意识到:“材料的力学变化,不仅是结构问题,也直接影响可靠性。”正是在这一时期,他对材料力学与结构可靠性产生了稳定兴趣。
博士阶段,他的科研兴趣被进一步推向更具挑战性的方向——核电一回路环境下的材料致裂(EAC)行为与寿命预测。这项研究不仅需要扎实的力学基础,更要求理解腐蚀、电化学、焊接残余应力、材料微观结构等多学科融合内容,从而逐步形成其独特的研究方向。
直面行业公认难题:裂尖微观力学状态如何获得
核电材料的应力腐蚀裂纹扩展(SCC/EAC)研究,被业内公认为极难攻克。其难点在于:裂纹真正发生增量扩展的位置只有微米甚至亚微米级;裂尖处应力、变形、电化学反应持续耦合;高温高压环境导致常规实验难以直接测量;国际通行的 Ford–Andresen 模型中的关键量 —— 裂尖应变率(ε˙tip)几乎无法从实验直接获得。
科研人员可以模拟应力场、可以分析腐蚀形貌,却几乎无法“看到”裂尖真正经历了什么。
长期以来,这一瓶颈使裂纹扩展速率预测始终存在不确定性。
面对这一难题,杨宏亮并没有选择回避。他将大量时间投入有限元模拟,在不同热力条件下不断对比裂尖应力应变场的变化规律,并将这些结果与实验数据进行逐点比对。
提出“裂尖蠕变率”概念:从量化困境中的突围
在长期分析中,他逐渐意识到一个现象:
核电材料在 280℃—320℃ 的运行环境下,虽然宏观上不会出现明显的蠕变,但在裂尖这个应力高度集中的微观区域,材料却可能长期处于微小、缓慢、稳定的塑性变形状态。
基于这一观察,他提出了一个大胆的设想:裂纹尖端的微观蠕变率,可能比传统模型中的裂尖应变率更符合实际物理过程,也更容易通过模拟获得。
这一观点,突破了过去“核电温度不足以发生蠕变”的固有认知。
为了验证这一设想,他开展了一系列工作:使用 Abaqus 建立复杂的裂尖三维弹塑性模型,结合高温高压水环境条件,模拟裂尖长期受力后的位移变化,对比腐蚀实验获得的扩展速率数据,多次修正模型中的材料性能参数,在国内外相关会议上与同行讨论其可行性
当他在一次国际腐蚀会议上向行业专家展示模拟结果时,美国工程院院士 Peter L. Andresen 对他的分析表示关注,这也从侧面证明了该方向的研究价值。
这一模型的提出,使裂尖应变无法量化的难题出现了新的突破口,为准确预测核电结构材料的服役寿命提供了新的思路。
科研成果:从理论研究到工程实践的扎实积累
十年来,杨宏亮在核电结构材料相关领域完成了大量基础与应用研究工作:
发表论文 40 余篇,其中 SCI/EI 论文 10 篇,授权专利 6 项,包括发明专利的产业化应用,参编专著、实验指导书、实习教材 7 部,主持和参与国家自然科学基金项目多项,同时获得陕西高等学校科学技术二等奖
这些成果既有面向复杂力学机理的深入分析,也有面向工程应用的测试设备开发。
从论文到产业:科研成果的真正落地
多数材料力学研究往往停留在实验室,但杨宏亮希望让模型、方法与装置真正参与工程实践。
高温高压裂纹扩展速率测试装置的研制
传统测试设备价格高昂,功能受限。
他带领团队开发了:可在高温高压釜内进行直流电压降法测试的仪器,适用于教学和科研的微裂纹检测装置,可用于力学性能分析的三点弯曲测试装置,这些设备已在高校、研究机构和企业中使用,解决了长期存在的测试难题。
技术入股与成果转化
部分核心专利在秦创原平台实现转化,他以专利入股方式参与成立企业,为行业提供技术服务,实现了从“科研成果”向“工程能力”的真正转变。
面向未来:构建更完善的核电材料寿命预测体系
在谈到未来规划时,他给出了五个方向:包括结构材料残余寿命的更精确预测、结合压痕反演建立多场耦合分析体系、推动纳米压痕装备研发、开展材料表面完整性研究,以及基于大量实验与模拟结果构建裂纹扩展数据体系。
这些规划都指向同一个目标:让核电结构材料的安全评估更可控、更可算、更可靠。
这不是某一个实验、某一个模型能够完成的工作,而是一套体系化的长期工程。
结语:科研的价值,在于“长期无人问、但必须有人做”
核电材料裂纹扩展研究天然冷门,却关系重大。
它不容易出成果,不易获得关注,但一旦出现风险,后果巨大。
十年来,杨宏亮博士始终在这一领域持续投入,保持耐心、坚持实验、反复推敲模型、不断改进方法。他所做的,是一项长期、隐蔽但意义深远的工作。
在中国核电产业快速发展的今天,这类科研力量尤其显得珍贵。
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