燃料包殼，是核燃料元件的重要組成部分，其材料在保證核電站的安全運行方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。福島核事故發(fā)生以來，鋯合金表面涂層技術(shù)憑借其不用改變現(xiàn)有鋯合金包殼設(shè)計，還能提高包殼性能的優(yōu)點，成為耐事故燃料包殼材料的重點研究方向之一。近日，我院輻射技術(shù)研究所的陳琳研究團隊依托財政資金改革與發(fā)展專項課題，自主研發(fā)制備了一種具有抗輻照、耐高溫蒸汽氧化性能的核燃料包殼涂層材料。

陳琳團隊

目前，鋯合金涂層制備技術(shù)主要包括磁控濺射、多弧離子鍍、化學氣相沉積、熱噴涂層等。傳統(tǒng)的涂層沉積技術(shù)，可能存在大顆粒、孔洞等組織缺陷問題，致密性低、膜基結(jié)合力差也將影響涂層的各項性能，此外，高溫作業(yè)環(huán)境會嚴重影響基材性能。而近年來興起的高功率脈沖離子束涂層制備技術(shù)，可提高離子遷移能力，獲得的涂層致密性高，且離子的種類、能量、密度、入射角和工作壓強可在很寬的范圍內(nèi)獨立控制。

高功率脈沖磁過濾復(fù)合設(shè)備圖

鑒于此，陳琳研究團隊在前期研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地采用了高功率脈沖離子束復(fù)合技術(shù)，即高功率脈沖磁過濾陰極弧等離子體沉積(HIPIFCVA)和高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)的復(fù)合技術(shù)，制備了以Cr-TiCrSiC-TiCrSiCN為涂層的鋯合金燃料包殼。通過對電壓、電流、頻率等電參數(shù)及氣流量等參量的不斷調(diào)試，實現(xiàn)了晶態(tài)結(jié)構(gòu)、材料組分、界面狀態(tài)的可控調(diào)節(jié)。

涂層的透射電鏡圖

經(jīng)實驗證實，所制備的非晶/納米晶Cr-TiCrSiC-TiCrSiCN涂層具有較強的抗輻照能力。對氣流量為10sccm條件下制備的樣品進行輻照實驗，采用He+離子代替中子進行輻照，能量為50keV，輻照劑量1*1017ions/cm2。輻照后對材料的顯微硬度進行測試，發(fā)現(xiàn)涂層的納米硬度僅變化了 6.1%，維持了較好的硬度。同時該涂層還具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及腐蝕性能。

隨后，進一步對核燃料包殼涂層進行耐高溫蒸汽氧化性能測試，表明該核燃料包殼涂層具有良好的耐高溫蒸汽氧化。測試發(fā)現(xiàn)，900℃蒸汽氧化3600s后，具有涂層的鋯合金燃料包殼增重僅為基材的1/4。

目前，該成果的研發(fā)團隊已獲得發(fā)明專利1項，另外還有2項發(fā)明專利正在申請中，獲得中國博士后基金資助1項。下一階段，該研發(fā)團隊將繼續(xù)深入研究耐事故燃料包殼涂層，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，通過模擬核燃料包殼材料工作環(huán)境，評估其穩(wěn)定性、可靠性，為耐事故燃料包殼的應(yīng)用提供新的技術(shù)方案。

(科研處/文 陳琳/攝)