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耐事故燃料包壳涂层材料研究现状

出处:论文网
时间:2017-09-03

耐事故燃料包壳涂层材料研究现状

  中图分类号:TG146.4 14 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)15-0269-01

  1 前言

  福岛事故暴露了现有UO2-锆合金燃料形式在抵抗严重事故性能方面的不足。锆合金涂层是耐事故燃料包壳的技术方向之一。通过在锆合金包壳表面添加涂层,使传统锆合金包壳材料发挥更大的效能或能经受苛刻的使用环境,并延长其使用寿命。目前国际上研究的锆合金涂层主要包括以下方向:MAX相涂层、Si涂层、Cr涂层等。

  2 MAX相涂层

  2.1 发展现状

  MAX相材料是继碳化硅陶瓷材料发展之后一种新型的三元陶瓷材料,其微观结构具有典型的层状特征,宏观特性兼具结构陶瓷和金属材料的性能优势,如良好的导热性和导电性,易于机械加工,密度小,抗热振动,不易弯曲,较低的热膨胀系数,兼具各向异性的力学性能和各向同性的热学性能[1]。代表性的MAX相材料包括TixSiCy、TixAlCy等。

  结合MAX相涂层的优点,采用MAX相涂层技术的锆合金包壳,在保证涂层完整性的前提下可以解决包壳的如下问题:

  1) 提高正常运行下的耐腐蚀性能,减少氧化和吸氢(减少氢化和脆化),以及氢化物再取向。

  2) 缓解严重事故的后果:提高了高温下包壳强度;通过减少包壳氧化速率和阻止蒸汽与锆合金的直接接触,显著减少事故下的产氢速率,缓解严重事故后果和延长反应堆应对时间。

  3) 改善流致振动导致的磨损。

  美国Drexel大学围绕MAX相核材料正在开展一系列研究,如MAX相材料的中子辐照损伤特性、氟盐环境和液态铅铋中的腐蚀、包壳管的制备、MAX相与核燃料界面反应特性等。西屋公司报告中指出Ti3AlC和Ti3SiC2三层陶瓷由于易加工、高韧性,均有可能作为燃料包壳材料,而且以上两种材料的导热性同其他包壳(锆合金、SiC基包壳、304不锈钢)相比较大。西屋公司的报告认为,对于升高温度下的安全裕量,Ti3AlC表现较好,仅次于SiC。法国、意大利、澳大利亚等也相继发表了一系列MAX相材料的离子辐照损伤行为研究成果,显示出该类材料具有优越的耐辐照损伤特性和高温自修复能力。但是,Ti3AlC材料没有相关工程应用经验,而且有较大的中子吸收截面(与不锈钢相近)。

  2.2 技术挑战

  使用锆合金MAX相涂层包壳必须考虑和解决的潜在技术问题有:

  1) 正常运行条件下,不会发生碎裂脱落;

  2) 正常运行条件下,涂层裂纹不会影响锆包壳;

  3) MAX相涂层抵抗事故的能力。

  3 Cr涂层和Si涂层

  3.1 发展现状

  Si涂层和Cr涂层均为单质涂层,同MAX相涂层相比,原材料制备工艺相对简单,涂层沉积可采用多种工艺,如物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、离子喷涂、激光涂覆等。若采用Cr涂层,由于Cr与基体锆合金同为金属材料,热膨胀行为较为接近,理论上有着较好的抗热冲击性能。目前法国和韩国都开展了锆合金Cr涂层包壳的研究工作,在Cr涂层技术上走在世界前列,韩国额外开展了锆合金涂覆Si涂层的研究。

  法国对锆合金包壳Cr涂层进行研究,用物理气相沉积方法在Zr-4基板上制备Cr涂层,涂层厚度最大为20μm,先后制备出第一代和第二代Cr涂层。第一代Cr涂层有很多微裂纹,而第二代Cr涂层得到致密的微观组织,且没有微裂纹。目前Cr涂层离子辐照试验正在进行之中,计划入Halden堆辐照[2]。锆合金Cr涂层样品在LOCA下,高温蒸汽氧化速率减慢,力学性能保持较好。需要注意的是,如果涂层有缺陷,缺陷下会产生局部二氧化锆,这说明Cr涂层不能有缺陷,因为缺陷会丧失一定的防护作用。

  韩国韩国原子能研究所通过电弧离子镀、等离子溅射和激光涂覆技术,制备出锆合金表面有Si涂层和Cr涂层的燃料包壳[3, 4, 5]。韩国原子能研究所通过实验分析得出,采用激光束扫描制备的Si和Cr膜均与锆合金结合紧密。通过腐蚀试验,Si和Cr的腐蚀增重远小于锆合金,说明抗腐蚀能力均优于锆合金。其中Si氧化后,可以形成致密的SiO2具有非常好的保护能力,抗氧化腐蚀能力很强。显微分析表明,氧化腐蚀试验后Si和Cr涂层样品均没有裂纹等严重缺陷,涂层质量良好。

  3.2 技术挑战

  使用Cr涂层或Si涂层包壳必须考虑和解决的潜在技术问题有:

  1) 正常运行条件下,保证涂层完整性,不易发生裂纹;

  2) 正常运行条件下,能够经受包壳和格架间磨蚀;

  3) 涂层抵抗事故的能力。

  4 结论和建议

  虽然锆合金涂层技术方向较多,但目前大都处于前期科研阶段,缺乏足够试验数据证明其性能的稳定性,并存在一些技术挑战,如:①缺乏锆合金涂层样品的辐照数据,锆合金涂层的辐照稳定性未知;②锆合金和涂层的热膨胀系数需要匹配,且需要热循环试验(或淬火试验)来验证涂层和锆合金基体间的热振稳定性;③锆合金和涂层需保持稳定的结合强度;④涂层一旦有裂纹等缺陷,会丧失对锆合金的保护作用。

  锆合金涂层工程应用的可行性并不明确的情况下,锆合金涂层的研究重点应放在技术可行性探索方面,例如通过关键试验来评价验证涂层技术方案。

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