[发明专利]一种事故容错燃料包壳用双层Cr/Cr2

说明书

本发明涉及一种事故容错燃料包壳用双层Cr/Cr₂AlC涂层及其制备方法，在锆合金表面进行双层涂层涂敷可以有效改善锆合金包壳在正常运行工况和事故工况下的防护能力。双层Cr/Cr₂AlC涂层采用多靶磁控溅射技术沉积于锆合金表面，涂层层间、与基体间结合良好，总厚度为4～10μm，其中Cr₂AlC涂层的厚度范围为3～8μm。该双层涂层综合了两种涂层的优势，其中Cr涂层既有效缓解了涂层与锆合金基体之间热应力，又具有事故容错的能力；Cr₂AlC涂层不仅在高温水蒸气环境下具有良好的抗氧化性能，还在反应堆正常运行工况下的高温高压水环境中表现出优异的耐微动磨损性能，并且在高温高压水腐蚀过程中保护锆合金基体免于氧化，可显著改善核燃料系统运行的可靠性和安全性。

技术领域

本发明涉及事故容错燃料锆合金包壳涂层技术领域，具体为一种事故容错燃料锆合金包壳用双层Cr/Cr₂AlC涂层及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年中，锆合金凭借优异的力学性能、抗辐照性和耐腐蚀性能被广泛应用于轻水核反应堆中，作为燃料元件的包壳材料或堆内结构部件。但是当反应堆发生超设计基准的事故时，如1979年美国三里岛核电站和2011年日本福岛核电站发生的失水事故，锆合金包壳系统的安全性受到了严重威胁。在失水事故中，锆合金与水蒸气会发生剧烈的氧化反应。当反应堆堆芯温度达到800℃时，堆芯开始发生物理和化学性能上的退化；当温度达到1200℃时，锆水反应释放出大量的热，进一步推动堆芯温度的升高。此外，氧化中不可避免的会产生大量的氢气，极易引发爆炸，增加了放射性物质泄露的风险。

为了提高包壳材料事故容错的能力，研究主要集中在开发新型的事故容错燃料(ATF)。与标准的UO₂-Zr燃料体系相比，事故容错燃料能够在相当长的一段时间内容忍堆芯失水事故，并且在正常运行工况下维持或者提高燃料的性能。在事故容错燃料包壳材料的研究策略中，相比于寻找新的合金材料，涂层涂覆的锆合金包壳可以在保留现有核电站设计的基础上，提高锆合金包壳的力学性能和抗氧化性能，具有更高的经济效益，易于实现商业化应用。

对于事故容错燃料防护涂层，目前已经有大量的候选材料，包括Cr、FeCrAl、TiAlN和MAX相等，这些涂层材料都具有优异的高温抗氧化性能。其中，Cr₂AlC涂层是具有应用前景的事故容错燃料防护涂层候选材料之一，表现出较高的热导率、较好的耐辐照性能和较高的耐磨损性能。Ougier等人(M.Ougier,et al.Journal of Nuclear Materials, 2020,528:151855)对Cr-Al-C涂层和550℃退火4h处理得到结晶状态良好的Cr₂AlC 涂层在1200℃高温水蒸气中进行氧化实验，结果表明Cr-Al-C涂层最外层的氧化层为Al₂O₃和Cr₂O₃，而Cr₂AlC涂层最外层的氧化层只有Al₂O₃。涂层氧化的差异可以归因于Al在两种涂层中的活性不同。因此，在不影响锆合金基体的前提下，尽量制备结晶状态良好的Cr₂AlC涂层可以有效地保持涂层的抗氧化能力。

磁控溅射技术经常被用来制备MAX相涂层，获得的涂层与基体结合较好，且纯度高、致密性好、成膜均匀性好。Cr₂AlC涂层可以在适宜的温度下直接通过磁控溅射制备得到结晶状态良好的涂层。但是单层Cr₂AlC涂层在1000℃退火处理后，会与锆合金间反应形成金属间化合物，导致涂层迅速耗尽(J.Zhang,et al.Journal of Materials Science andTechnology,2019,35:1-5)。

发明内容