燃料包壳，是核燃料元件的重要组成部分，其材料在保证核电站的安全运行方面发挥着至关重要的作用。福岛核事故发生以来，锆合金表面涂层技术凭借其不用改变现有锆合金包壳设计，还能提高包壳性能的优点，成为耐事故燃料包壳材料的重点研究方向之一。近日，我院辐射技术研究所的陈琳研究团队依托财政资金改革与发展专项课题，自主研发制备了一种具有抗辐照、耐高温蒸汽氧化性能的核燃料包壳涂层材料。
陈琳团队
目前，锆合金涂层制备技术主要包括磁控溅射、多弧离子镀、化学气相沉积、热喷涂层等。传统的涂层沉积技术，可能存在大颗粒、孔洞等组织缺陷问题，致密性低、膜基结合力差也将影响涂层的各项性能，此外，高温作业环境会严重影响基材性能。而近年来兴起的高功率脉冲离子束涂层制备技术，可提高离子迁移能力，获得的涂层致密性高，且离子的种类、能量、密度、入射角和工作压强可在很宽的范围内独立控制。
高功率脉冲磁过滤复合设备图
鉴于此，陈琳研究团队在前期研究的基础上，创新性地采用了高功率脉冲离子束复合技术，即高功率脉冲磁过滤阴极弧等离子体沉积(HIPIFCVA)和高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)的复合技术，制备了以Cr-TiCrSiC-TiCrSiCN为涂层的锆合金燃料包壳。通过对电压、电流、频率等电参数及气流量等参量的不断调试，实现了晶态结构、材料组分、界面状态的可控调节。
涂层的透射电镜图
经实验证实，所制备的非晶/纳米晶Cr-TiCrSiC-TiCrSiCN涂层具有较强的抗辐照能力。对气流量为10sccm条件下制备的样品进行辐照实验，采用He+离子代替中子进行辐照，能量为50keV，辐照剂量1*1017ions/cm2。辐照后对材料的显微硬度进行测试，发现涂层的纳米硬度仅变化了 6.1%，维持了较好的硬度。同时该涂层还具有优异的抗摩擦磨损及腐蚀性能。
随后，进一步对核燃料包壳涂层进行耐高温蒸汽氧化性能测试，表明该核燃料包壳涂层具有良好的耐高温蒸汽氧化。测试发现，900℃蒸汽氧化3600s后，具有涂层的锆合金燃料包壳增重仅为基材的1/4。
目前，该成果的研发团队已获得发明专利1项，另外还有2项发明专利正在申请中，获得中国博士后基金资助1项。下一阶段，该研发团队将继续深入研究耐事故燃料包壳涂层，进一步优化工艺参数，通过模拟核燃料包壳材料工作环境，评估其稳定性、可靠性，为耐事故燃料包壳的应用提供新的技术方案。
(科研处/文 陈琳/摄)
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