耐事故燃料包壳涂层材料研究现状
ATF研发的一些问题与分析
ATF研发的一些问题与分析作者：赵瑞瑞，王虹来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2017年第5期赵瑞瑞，王虹（中核北方核燃料元件有限公司，内蒙古包头014035）摘要本文介绍了ATF 燃料的基本要求与国际及国内ATF 燃料芯块和包壳的研发现状，分析了目前ATF 研发存在的关于研究目标、技术路线及应用目标的主要问题，重点阐述了对ATF 燃料研发的一些建议与思考。
关键词核燃料；事故容错；包壳；芯块【中图分类号】U463 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0170-02【作者简介】赵瑞瑞（1986—），女，河北张家口人，工程师，从事核燃料、材料加工研究。
1 ATF 燃料的基本要求和研究方向ATF 燃料的研发，是以反应堆正常和事故工况下燃料的行为和失效机理为根本出发点，以从根本上克服UO2-Zr 燃料的缺点为目标，同时不能削弱UO2-Zr 燃料的现有优势。
1.1 ATF 包壳材料的研发方向改进型锆合金，利用先进材料及工艺对锆合金包壳进行涂覆以增强其性能，涂层包括SiC、MAX 相及其他；陶瓷基复合材料，包括SiC 复合包壳、MAX 相材料等；盂金属包壳，FeCrAl 合金和Mo 合金等难熔金属。
1.2 ATF 芯块材料的研发方向新型UO2 燃料，即对UO2 燃料进行改进，使其符合ATF 的特征；铀合金，例如U-Mo 合金、U-Zr 合金等；高密度陶瓷芯体，包括U3Si2、UN 等；榆全陶瓷微封装（FCM）芯体。
1.3 ATF 燃料的研发方向综合考虑安全性、经济性和技术风险，一般认为基于现有UO2-Zr 合金包壳系统发展的改进型UO2 芯块和改进型锆合金包壳由于技术风险和成本较低，是有望在近期得到应用的ATF 技术。
而陶瓷基包壳、FCM 燃料、高铀密度芯块等具有较高技术风险和成本压力，但属于具有显著性能优势的未来ATF 技术。
2 ATF 燃料的研究现状及存在的问题2.1 ATF 燃料研究现状2.1.1 ATF 燃料总体研发现状从一些资料来看，世界范围内针对ATF 燃料的材料开发与系统评价研究在短时间内得到了迅速发展，目前针对ATF包壳和芯块已经形成了多种候选技术方案，相应的可行性评估、材料工艺优化、性能验证及辐照考验工作正在开展，形成了涵盖近期、中远期的发展与应用路线图。
应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层研究进展
应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层研究进展
事故容错燃料组件是核电厂的重要设备，用于防止核事故的发生。
其中涂层技术应用
于此类组件上，可以有效地提高其抗腐蚀性和耐热性等性能。
高熵合金是一种新型的材料，具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，在事故容错燃料组件上应用涂层可能会带来颠覆性的
改变。
本文将介绍高熵合金涂层在事故容错燃料组件上的研究进展。
高熵合金由多种元素组成，其独特的成分和微结构使其具有独特的性能。
高熵合金涂
层的合成通常采用磁控溅射、电弧喷涂和等离子喷涂等方法。
这些方法可以控制涂层成分、微结构和厚度，从而得到理想的涂层。
高熵合金涂层具有优异的抗腐蚀性能。
研究表明，高熵合金涂层在各种介质中具有较
高的电化学稳定性和耐腐蚀性。
例如，FeCoNiCrAlTi合金涂层在不同pH值的NaCl溶液中表现出了优异的耐蚀性。
这些性能使高熵合金涂层在核电厂事故容错燃料组件中具有重要
的应用前景。
高熵合金涂层还具有良好的耐热性。
事故容错燃料组件在高温和放射性气体腐蚀的环
境中工作，因此需要具有良好的耐热性。
高熵合金涂层具有较高的熔点和良好的耐高温性，可以保护事故容错燃料组件在高温环境下的安全运行。
事故容错锆合金包壳涂层材料研究进展
㊀综述㊀«新技术新工艺»综述１㊀事故容错锆合金包壳涂层材料研究进展潘晓龙,邱龙时(西安稀有金属材料研究院有限公司,陕西西安７１００１６)摘㊀要:２０１１年日本福岛核事故中,反应堆堆芯中的锆合金包壳与高温水蒸气剧烈反应,释放出大量氢气和热量,最终造成堆芯熔化和氢气爆炸,对社会和环境造成了巨大的负面影响.至此之后,满足反应堆更高安全裕量设计要求的新型耐事故燃料包壳成为了新的研究热点,锆合金表面涂层作为提高核燃料包壳事故容错能力的重要途径之一,可有效解决失水事故下锆水严重反应的问题,具有经济性好㊁易于实现商业化等优点.综述了近年来国内外核燃料包壳锆合金表面涂层的研究现状,重点阐述了涂层的制备工艺㊁材料种类㊁组织结构以及应用性能间的关系.研究内容为耐事故容错锆合金表面涂层技术的发展提供了重要参考.关键词:核反应堆;锆合金;包壳;失水事故;耐事故容错燃料;涂层中图分类号:T G１７４．４４㊀㊀文献标志码:AR e s e a r c hP r o g r e s s o fC o a t i n g M a t e r i a l o fA c c i d e n t Ｇt o l e r a n t Z i r c o n i u m A l l o y C l a d d i n gs P A N X i a o l o n g ,Q I U L o n gs h i (X i a nR a r eM e t a lM a t e r i a l s I n s t i t u t eC o ．,L t d ．,X i a n７１００１６,C h i n a)A b s t r a c t :I n t h e ２０１１F u k u s h i m an u c l e a r p o w e r p l a n t a c c i d e n t ,t h e z i r c o n i u ma l l o y c l a d d i n gi n t h e r e a c t o r c o r e r e a c t e d v i o l e n t l y w i t hh i g h t e m p e r a t u r ew a t e r v a p o r ,w h i c h g e n e r a t e da l a r g e a m o u n t o f h y d r o g e n a n dh e a t a n d r e s u l t e d i n t h e c o r e m e l t i n g a n dh y d r o g e ne x p l o s i o n ,w h i c hh a dah u g en e g a t i v e i m p a c t o ns o c i e t y an dt h ee n v i r o n m e n t ．F r o mt h e no n ,an e w t y p e o f a c c i d e n t Ｇt o l e r a n t f u e l (A T F )c l a d d i n g s t h a tm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f h i g h e r s a f e t y m a r g i n f o r r e a c t o r sh a s b e c o m i n g an e wr e s e a r c hh o t s p o t ．T h e s u r f a c e c o a t i n g o f z i r c o n i u ma l l o y w a s o n e o f t h e i m p o r t a n tw a y s t o i m p r o v e t h e a c c i Ｇd e n t t o l e r a n c e o f n u c l e a r f u e l c l a d d i n g s ,w h i c h c a n s o l v e t h e r e a c t i o n p r o b l e mb e t w e e n z i r c o n i u ma n d s t e a mu n d e r t h e c o n d i Ｇt i o n so f l o s s o f c o o l a n t a c c i d e n t ,a n dh a v e f e a t u r e s s u c h a s g o o d c o s t p e r f o r m a n c e ,f e a s i b i l i t y i n c o m m e r c i a l i z a t i o n a n d s o o n ．T h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f t h ec o a t i n g o nt h es u r f a c eo f z i r c o n i u ma l l o y h a sb e e ns u m m a r i z e d ．T h er e l a t i o n s h i p a m o n g t h e p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g y ,m a t e r i a l t y p e ,s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f t h e c o a t i n g w e r e e m p h a s i z e d ．T h e r e s u l t s p r o v i d e d v a l u a Ｇb l e r e f e r e n c e s f o r p r o m o t i n g d e v e l o p m e n t o f t h e c o a t i n g o nn u c l e a r f u e l c l a d d i n g ．K e y wo r d s :n u c l e a rr e a c t o r ,z i r c o n i u m a l l o y ,c l a d d i n g s ,l o s s Ｇo f Ｇc o o l a n t Ｇa c c i d e n t (L O C A ),a c c i d e n t Ｇt o l e r a n tf u e l (A T F ),c o a t i n g ma t e r i a l ㊀㊀在过去５０年间,核工业界不断优化应用于轻水堆(L i gh t W a t e r R e a c t o r s ,L WR s )锆合金包壳 U O ２燃料芯块的燃料体系,以期获得稳定㊁可靠和优异的性能.在日本福岛核事故中,反应堆堆芯核燃料组件中的锆合金包壳在事故条件下与高温水蒸气发生剧烈氧化反应,迅速产生大量的氢气和热量,最终导致反应堆堆芯熔化和氢气爆炸,对社会和环境造成了极大的负面影响.福岛核事故发生以后,核工业界和科学界对于核燃料及包壳材料的安全性和可靠性提出了更高要求,即在确保核燃料组元在维持反应堆正常运行工况条件的同时,能够在事故发生以后相当长的一段时间里维持堆芯的完整性,并提供足够的时间余量来采取事故应对措施,为此开展了事故容错燃料(A c c i d e n t T o l e r a n t F u e l,A T F )的研发,即与标准的U O ２ 锆燃料体系相比较,能够在相当长的一段时间内容忍堆芯失水事故,且在正常工况下维持或是提高燃料性能.A T F 研发必须实现在反应堆正常运行工况下新的燃料组件不因结构调整而降低其运行的经济性,同时避免或延缓在事故条件下出现的蓄热㊁氢爆和有害核素泄漏等问题,这对核燃料与包壳材料的选择和设计提出了极大的挑战,目前研究主要集中在锆合金包壳涂层材料方面.锆合金表面涂层材料选择主要基于以下三原则:１)满足堆内运行工况,具有常规工况下的耐腐蚀㊁抗吸氢和抗辐照性能,中子吸收截面低,传热效率高;２)事故容错性能优异,具有良好的抗水蒸气氧化性能和抗热冲击性能;３)与锆合金兼容性好,如膨胀系数匹配性,涂层与锆合金制备工艺的兼容性等.MA X 相(T i ２Al C )㊁S i C ㊁F e C r A l 等均具有良好的抗水蒸气氧化性能,金属涂层如F e C r A l ㊁３１０S S ㊁C r 在氧化过程中形成了C r ２O ３㊁A l ２O ３保护膜,阻碍了氧㊀新技术新工艺㊀２０１９年㊀第１２期㊀２㊀«新技术新工艺»综述化过程的进行.在涂层制备过程中,为降低对锆合金基体材料的影响,尽量选择低温工艺,以保证在涂层失效的情况下锆合金基体在堆内工况下依然能保持良好的完整性.由于锆合金如Z r ＧN b 系合金的最终退火通常在６００ħ以下,这就限制了很多涂层的制备方法,如何选择和控制涂层制备工艺,在不影响锆合金基体材料性能的基础上制备出良好的涂层是当前研究的重点.１㊀锆合金包壳涂层制备方法为使锆包壳涂层在事故工况下仍能提供有效保护,涂层须均匀㊁密实,并具有良好的耐高温氧化性能.因此,涂层质量控制至关重要,特别是膜基结合力和涂层致密度,而这依赖于所采用的沉积技术和工艺参数.一般而言,涂层沉积温度应低于锆包壳的最终退火温度约５００ħ,以避免锆合金基体微观组织的变化.１．１㊀热喷涂热喷涂包括火焰喷涂㊁电弧喷涂和等离子喷涂等.涂层与基体之间主要靠机械结合,界面的结合强度相对较低,因而耐冲击性能不好.在热喷涂过程中,会存在粉末氧化㊁相变㊁脱碳或改变原始粉末的物理和化学性质等问题,同时也会对基体产生不良的热影响,等离子喷涂涂层孔隙率低,涂层与基体间结合强度较高,但等离子喷涂更适合镀厚膜,对锆合金包壳表面几十微米薄的涂层制备控制较难.１．２㊀冷喷涂冷喷涂是在低温状态下通过高速粉末颗粒撞击基体时发生强塑性变形而形成涂层.冷喷涂工艺具有沉积温度低㊁对基体热影响小㊁分布均匀以及涂层基本无氧化现象等优点.西安交通大学㊁中科院宁波材料所均开展了冷喷涂工艺研究和涂层性能表征方法研究,冷喷涂实现几十微米的薄涂层有一定难度,且冷喷涂过程中,涂层颗粒高速沉积对薄壁锆管变形的影响还有待探究.冷喷涂对粉末颗粒尺寸和杂质含量有一定要求,目前,国内外MA X 相材料粉末制备工艺较成熟,可尝试采用冷喷涂工艺进行锆合金表面涂层工艺探索.１．３㊀物理气相沉积(P V D )目前,常用物理气相沉积法主要为磁控溅射和离子镀.磁控溅射的成膜效果好,基体温度低,膜的粘附性强,尤其适用于大面积镀膜.磁控溅射过程中的基体温度是涂层微观结构和性能的一个最重要影响因素,合适的基体温度能提高薄膜的附着力和沉积速度.采用磁控溅射技术制备的膜层质量好,但沉积速率低,膜层相对薄,涂层残余应力大.采用磁控溅射法进行锆包壳表面涂层制备的可行性还有待进一步探究.电弧离子镀具有涂层质量好㊁沉积速率高㊁绕射性强㊁可以大面积沉积等优点.该工艺的不足使沉积过程易产生喷射颗粒,影响膜层质量,可采用磁场过滤等技术来改善.国内黄鹤等[１]对比了磁控溅射和多弧离子镀C r 涂层高温抗氧化性能的差异.结果显示,磁控溅射和多弧离子镀C r 涂层均能显著提高锆合金的高温抗氧化性能;磁控溅射C r 涂层表面光滑㊁致密,但涂层表面存在一定数量的孔洞,氧化７h 后涂层表面出现裂纹;与磁控溅射C r 涂层相比,多弧离子镀C r 涂层不再有单一的(２１１)择优取向,C r 涂层厚度均匀,表面平整,膜/基界面分明,孔洞相对较少,氧化７h 后涂层表面依然致密,单位面积氧化增重相比磁控溅射C r 涂层减少,高温抗氧化性能亦优于磁控溅射C r 涂层.２㊀锆合金包壳陶瓷涂层陶瓷涂层是目前锆合金表面涂层重点研究方向之一,主要包括MA X 相㊁碳化物㊁氮化物和氧化物等,具有优异的抗辐照㊁抗氧化㊁耐腐蚀和耐磨损等性能.２．１㊀MA X 相材料MA X 相材料是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,兼具陶瓷和金属材料的性能优势,如良好的导热性和导电性,高的弹性模量和高温强度,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,具有各向异性的力学性能和各向同性的热学性能.美国威斯康辛星大学B ．R．M a i e r 等[２]采用冷喷涂技术在Z r Ｇ４合金表面制备了T i ２A l C 涂层,同时存在少量的T i ３A l C ２㊁T i A l ２和T i C 相,涂层厚度约为９０μm .结果表明,涂层与锆基体之间结合力＞５０N ,涂层的硬度(约８００H K )相比于Z r Ｇ４合金(约１８０H K )提高了４倍;美国德雷塞尔大学D．J ．T a l l m a n 等[３]研究了温度在１１００~１３００ħ范围时,MA X 相材料T i ３S i C ２和T i ２Al C 与Z r Ｇ４合金的反应性.结果显示,S i 和A l 的扩散厚度均符合抛物线定律,且都形成了Z r ＧS i ㊁Z r ＧA l 金属间化合物,但S i 扩散至Z r Ｇ４合金的速率比A l 扩散少一个数量级.D．J ．T a l l m a n 等[４]对T i ３S i C ２和T i ２Al C 材料在中子辐照过程中的缺陷演化行为进行了研究,表明作为高温核能应用的MA X 相涂层候选材料,T i ３S i C ２比T i ２Al C 表现出更好的前景.目前,国内㊀综述㊀«新技术新工艺»综述３㊀也已开展了对不同涂层材料㊁不同涂层工艺的前期探索研究工作.中科院宁波材料所冯宗建等[５]采用直流磁控溅射工艺制备了T i ２Al C 涂层,并对涂层成分控制进行了研究.上海应用物理研究所黄庆[６]等对MA X 相材料T i ３S i C ２和T i ３A l C ２的抗辐照性能进行了研究.结果显示,室温下T i ３A l C ２的抗辐照性能优于T i ３S i C ２,且２种MA X 相材料在６００ħ的辐照稳定性均优于室温.２．２㊀氮化物涂层氮化物具有高硬度㊁高熔点和高热导率,以及优异的耐腐蚀性能等优点,制备方法主要包括有电弧离子镀㊁脉冲激光沉积和冷喷涂等.美国德克萨斯A&M 大学F ．K h a t k h a t a y 等[７]对Z r Ｇ４合金包壳管表面T i N 和T i A l N 涂层在超临界水中(５００ħ㊁２５M P a ㊁４８h )腐蚀行为的研究发现,氮化物涂层通过形成致密的保护膜,可显著提升Z r Ｇ４合金包壳管的抗氧化和抗腐蚀性能.美国宾夕法尼亚州立大学E ．A l a t 等[８]采用阴极电弧沉积在Z I R L O 合金制备T i A l N 涂层,对３６０ħ㊁７２h 水蒸气环境下包壳管腐蚀行为研究发现,A l 元素扩散至表面形成A l ２O ３保护膜,阻碍氧化的进行.加拿大恰克河实验室K．D a u b 等[９]研究了C r N ㊁T i A l N和A l C r N 涂层对Z r Ｇ４合金腐蚀和吸氢行为的影响.C r N ㊁T i A l N 涂层使Z r Ｇ４合金管在水和蒸汽环境下腐蚀速率降低,致吸氢速率减小约２个数量级.A l C r N 涂层由于自身结合性能较差和涂层开裂等原因,未起到增强效果.国内中山大学M a 课题组[１０]采用多弧离子镀在Z r Ｇ７０２合金上制备T i A l ＧC r N 涂层,并对氧化性能和腐蚀性能进行了研究.试验发现,１０６０ħ㊁１h 空气环境下氧化后,在涂层表面形成致密氧化膜,阻碍氧向基体的扩散,氧化锆层厚度由未作涂层保护时的３００μm 减小至１０μm .２．３㊀其他陶瓷涂层碳化物具有优异的堆内和堆外综合性能,目前S i C ㊁Z r C 已成功应用于高温气冷反应堆中,均表现出良好的辐照稳定性.研究表明,S i C 抗氧化性能优异,是替代锆合金包壳的候选材料之一.但有研究指出,S i C 在３６０ħ高压水环境下会形成S i (O H )４,降低对基体的保护作用,在水蒸气氧化和淬火过程中,由于S i C 与锆合金(βＧZ r )膨胀系数相差较大,S i C 涂层出现开裂和剥落现象.为解决上述问题,韩国原子能研究院J ．W．P a r k 等[１１]提出采用离子束混合沉积的方式进行多次沉积,以填补S i C 涂层开裂所出现的空隙,在高温条件下,S i C 与锆合金相互扩散并发生反应,反应产物主要有Z r ３S i ㊁Z r ５S i ３C ㊁Z r ２S i 和Z r C 等.３㊀锆合金包壳金属涂层锆合金表面金属涂层主要包括C r ㊁C r A l 和F e ＧC r A l 等,其抗氧化性能主要依靠氧化产物C r ２O ３或A l ２O ３形成致密的保护膜,阻碍氧扩散至基体,从而降低包壳管的氧化速率.锆合金表面金属涂层的制备方法主要有物理气相沉积㊁化学气相沉积㊁磁控溅射㊁离子喷涂和激光涂覆等.３．１㊀C r 涂层同MA X 相涂层相比,C r 涂层原材料制备工艺相对简单,可采用多种工艺.C r 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,法国和韩国都已开展了锆合金C r 涂层包壳的研究工作,在C r 涂层技术上走在世界前列.韩国原子能研究院H．G．K i m 等[１２]采用３D 激光涂层技术制备了锆合金表面C r 涂层,涂层厚度为９０μm .研究表明,由于中间扩散层的形成,Z r Ｇ４合金与C r 涂层间具有优异的粘附性.韩国原子能研究院J ．H．P a r k 等[１３]采用电弧离子镀技术在Z r Ｇ４合金表面制备了C r 涂层,１２００ħ㊁２０００s 水蒸气环境中的氧化试验结果表明,涂层锆合金的高温抗氧化性能明显强于锆合金基体,且C r 涂层锆包壳具有更优异的延展性.J ．B i s c h o f f 等[１４]对比了镀C r和未镀C r 的M ５包壳管在３６０ħ㊁含有７０p pm L i 水环境下氧化增重行为,结果发现未镀C r 的M ５包壳管经１４０天后氧化增重骤增,而外侧镀C r 的M ５包壳管未出现明显增重行为,且未观察到失重以及C r 溶解行为,由此表明,C r 涂层可提高锆合金在富L i 介质中耐腐蚀行为,提高运行的灵活性.美国威斯康辛大学麦迪逊分校B ．M a i e r 等[１５]采用冷喷涂在Z r Ｇ４合金和Z I R L O 包壳管上沉积C r 涂层,分别在１３００ħ空气环境下以及４００ħ㊁１０．３M P a 水蒸气环境下考察了涂层/基体的抗氧化性能.结果显示,２种试验条件下,C r 涂层均起到了有效防护作用,锆合金的氧化程度得到有效缓解.此外,乌克兰A．S ．K u pr i n 等[１６]采用阴极电弧蒸镀技术在锆合金E １１０表面制备了C r 涂层,涂层厚度５μm .离子辐照试验结果显示,在２５d p a 离子辐照条件下,C r 涂层晶粒尺寸从２５０n m 增加到２９５n m .辐射诱导空洞的大小随辐照剂量的增加而增大.５d p a 辐照下肿胀０．１６％,２５d p a 辐照下肿胀达到０．６６％,比目前反应堆用包壳材料的肿胀低１个数量级.㊀新技术新工艺㊀２０１９年㊀第１２期㊀４㊀«新技术新工艺»综述３．２㊀C r A l 涂层韩国国立韩巴大学J ．M．K i m 等采用激光熔覆技术在Z r Ｇ４合金表面沉积C r A l 涂层,涂层厚度约３００μm .经１１００ħ热处理１０m i n 后,导致固相间溶质扩散,形成中间相金属化合物,并且在富Z r 区域容易形成Z r 的氧化物,诱导涂层开裂,降低Z r 合金性能.美国伊利诺伊大学Z h o n g 等[１７]比较了７００ħ㊁水蒸气环境下Z r Ｇ２合金基体上C r 涂层和不同A l 含量C r A l 涂层的抗氧化能力.２０h ㊁７００ħ高温水蒸气氧化试验结果显示,尽管C r A 涂层厚度仅有约１μm ,但对锆合金基体仍可起到有效防护作用;随着A l 含量的增加,C r A l 涂层氧化增重减小.３．３㊀F e C r A l 涂层W a n g 等[１８]采用等离子喷涂在Z r Ｇ４合金包壳管表面制备了F e C r A l 涂层和C r 涂层,并进行模拟失水事故试验.结果显示,C r 涂层具有更为优异的抗氧化性能,C r 涂层表面生成致密C r ２O ３氧化层可阻碍O 元素扩散;相比之下,F e C r A l 涂层由于元素向内扩散,对包壳管起到的保护作用相对较弱.美国伊利诺斯州大学Z h o n g 等[１９]采用磁控溅射方法在Z r Ｇ２合金制备了不同成分构成的F e C r A l 涂层,发现随A l 含量的增加,涂层的抗水蒸气氧化性能随之增强,主要产物包括有F e ２A l O ４㊁F e A l ２O ４㊁F e ３A l ㊁F e A l 等相;涂层的耐腐蚀性能(２８８ħ㊁９．５M P a )劣于锆合金基体,其原因在于腐蚀产物F e A l㊁F e ２N i O ４(N i 来源于反应釜)不具备保护锆合金基体的作用,腐蚀液中还可能存在其他腐蚀产物,如F e (O H )２㊁F e (O H )３㊁A l (O H )３等.因此,应适当降低F e C r A l 中A l 元素的含量,使C r ２O ３成为主要氧化产物,以提高涂层的耐腐蚀性能.此外,韩国原子能研究院D．J ．P a r k 等[２０]亦提出采用M o 中间层的方式阻挡高温下F e C r A l 涂层和Z r 合金基体间的互扩散行为,以提高F e C r A l /M o 涂层在失水事故下锆合金包壳管的力学性能.４㊀锆合金包壳复合涂层А．S ．K u pr i n 等[２１]采用真空电弧离子镀在E １１０管材和Z r Ｇ１％N b 管材表面制备了C r ＧZ r /C r /C r ＧN多层复合涂层.结果表明,多层复合涂层与２种锆合金基体结合紧密,经１１００ħ㊁１h 空气氧化后,涂层表面形成厚度约５μm 的致密C r O 和C r ２O ３氧化层,锆合金管材未发生明显变化;相反,未镀涂层的锆合金管材已发生严重变形,表面Z r O ２层的厚度ȡ１２０μm ,并且氧化层发生开裂和剥落.韩国原子能研究院H．G．K i m 等[２２]结合电弧离子镀和三维激光熔覆技术在Z r Ｇ４合金表面制备F e C r A l /C r/O D S 复合涂层,其中,采用电弧离子镀制备C r 涂层厚度１０μm ,而借助三维激光熔覆技术制备的F e ＧC r A l 和O D S 层厚度分别为７５和１００μm .F e ＧC r A l /C r /O D S 复合涂层在模拟正常工况和事故工况下均展现出了良好的耐腐蚀和抗氧化性能,在剧烈变形㊁腐蚀和氧化条件下,涂层与基体间仍结合完好,无剥落现象发生.上海交通大学J i n 等[２３]采用高速火焰喷涂的方法在Z r Ｇ２．５N b 合金表面制备C r ３C ２ＧN i C r 涂层,涂层厚度２５０μm .７００~１０００ħ氧化试验结果表明,C r ３C ２ＧN i C r 涂层对锆合金基体起到了有效保护作用.但在４００ħ/１０．３M P a㊁７２h 腐蚀增重结果显示,镀有涂层的样品大于未镀涂层的样品,分析认为双金属效应加剧了基体的腐蚀.国家电投集团王晓婧等[２４]采用磁控溅射沉积技术在锆合金基体表面制备了S i C /C r 涂层.经过１２００ħ高温水蒸气试验后,涂有单层S i C 的锆合金样品涂层有脱落现象,锆合金基体裸露在外面;涂有S i C /C r 复合涂层的锆合金样品经过高温水蒸气氧化后,表面涂层脱落较少,只有少量基体裸露在外面,说明C r 作为中间过渡层在一定程度上能明显改善涂层与基体的结合力.５㊀结语锆合金包壳涂层材料选择上要考虑特殊的应用环境,首先,涂层材料要改善锆包壳的抗高温氧化性能.事故条件下,涂层锆包壳应表现出明显低的氧化速率,能在其表面形成一层致密而稳定的保护膜,阻止或延缓氧化的进一步加剧,从而阻止锆包壳因氧化疏松而破损.在选择锆包壳涂层材料时,除了考虑必备的高温抗氧化性,还需要考察候选材料的熔点㊁导热性和温度梯度下的力学性能,以及它的中子经济性等.考虑与锆合金的相容性,若涂层材料在高温氧化反应时能在包壳表面形成陶瓷氧化膜则更稳定.金属C r 和MA X 相材料在高温氧化后能形成致密的保护膜,是有应用前景的锆包壳涂层候选材料.锆合金包壳表面涂层研究作为耐事故燃料发展的一个主要方面,具有制造经济性好㊁易于实现商业化等优点.作为涂层候选材料,T i ＧA l ＧC 系MA X 相材料和金属C r 应用前景较好.锆合金包壳涂层材料和涂层工艺的选择是一个复杂的过程,需要根据后续涂层关键应用性能研究结果进行反复验证.总而言之,国际上关于锆合金表面涂层技术研究还没㊀综述㊀«新技术新工艺»综述５㊀有完全成熟,处于多方探索和不断论证阶段,这也为我国锆合金表面涂层技术研究带来了机遇和挑战.参考文献[１]黄鹤,邱长军,陈勇,等．锆合金表面磁控溅射与多弧离子镀C r 涂层的高温抗氧化性能[J ]．中国表面工程,２０１８(２):５１Ｇ５８．[２]M a i e r BR ,G a r c i a ＧD i a z BL ,H a u c hB ,e t a l ．C o l d s p r a yd e p o s i t i o no fT i ２Al Cc o a t i n g s f o r i m p r o v e dn u c l e a r f u e l c l a d Ｇd i n g [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１５,４６６:７１２Ｇ７１７．[３]T a l l m a nDJ ,Y a n g J ,P a nL ,e t a l ．R e a c t i v i t y o f Z i r c a l o yＧ４w i t hT i ３S i C ２a n dT i ２A l Ci nt h e１１００~１３００ħt e m p e r a t u r e r a n ge [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１５,４６０:１２２Ｇ１２９．[４]T a l l m a nDJ ,H eL ,G a r c i a ＧD i a zB L ,e ta l ．Ef f e c to f n e u t r o n i r r a d i a t i o n o n d e f e c t e v o l u t i o n i nT i ３S i C ２a n dT i ２Al C [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１６,４６８:１９４Ｇ２０６．[５]F e n g ZJ ,K ePL ,H u a n g Q ,e t a l ．T h e s c a l i n g be h a v Ｇi o r a n dm e c h a n i s mo fT i ２A l C MA X p h a s e c o a t i n g s i n a i r a n d p u r e w a t e rv a p o r [J ]．S u rf a c ea n d C o a t i ng s T e ch n o l o g y ,２０１５,２７２:３８０Ｇ３８６．[６]H u a n g Q ,L i uR ,L e iG ,e ta l ．I r r a d i a t i o nr e s i s t a n c eo f M A X p h a s e sT i ３S i C ２a n dT i ３A l C ２:C h a r a c t e r i z a t i o n a n d c o m p a r Ｇi s o n [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１５,４６５:６４０Ｇ６４７．[７]K h a t k h a t a y F ,J i a oL ,J i a nJ ,e t a l ．S u pe r i o r c o r r o s i o n r e s i s t a n c e p r o p e r t i e s o fT i N Ｇb a s e d c o a t i n g s o nZ i r c a l o yt u b e s i ns u p e r c r i t i c a l w a t e r [J ]．J o u r n a lo f N u c l e a r M a t e r i a l s ,２０１４,４５１:３４６Ｇ３５１．[８]A l a t E ,M o t t aAT ,C o m s t o c kRJ ,e t a l ．C e r a m i c c o a t Ｇi n g f o r c o r r o s i o n (c ３)r e s i s t a n c e o f n u c l e a r f u e l c l a d d i n g [J ]．S u r f a c e a n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ,２０１５,２８１:１３３Ｇ１４３．[９]D a u bK ,N i e u w e n h o v eRV ,N o r d i nH．I n v e s t i ga t i o n o f t h e i m p a c t o f c o a t i n g s o n c o r r o s i o n a n d h y d r o g e n u p t a k e o f Z i r c a l o y Ｇ４[J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１５,４６７:２６０Ｇ２７０．[１０]M aXF ,W uY W ,T a n a J ,e t a l ．E v a l u a t i o no f c o r r o Ｇs i o na n do x i d a t i o nb e h a v i o r s o fT i A l C r Nc o a t i n gs f o r n u c l e a r f u e l c l a d d i n g [J ]．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ,２０１９,３５８:５２１Ｇ５３０．[１１]P a r k JW ,K i mJU ,P a r k JY ．I o nb e a m m i x e d o x i d a t i o np r o t e c t i v e c o a t i n g o nZ r y Ｇ４c l a d d i n g [J ]．N u c l e a rI n s t r u m e n t s a n dM e t h o d s i nP h ys i c sR e s e a r c hB ,２０１６,３７７:１２Ｇ１６．[１２]K i m H G ,K i mIH ,J u n g YI ,e t a l ．A d h e s i o n p r o pe r Ｇt y a n dh i g h Ｇt e m p e r a t u r e o x i d a t i o nb e h a v i o r o fC r c o a t e dZ i r Ｇc a l o y Ｇ４c l a d d i n g t u b e p r e p a r e db y ３D l a s e r c o a t i n g [J ]．J o u r Ｇn a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１５,４６５:５３１Ｇ５３９．[１３]P a r kJH ,K i m H G ,P a r kJY ,e t a l ．H i g ht e m pe r a Ｇt u r e s t e a m Ｇo x i d a t i o nb e h a v i o ro fa r c i o n p l a t e dC rc o a t i n gs f o r a c c i d e n t t o l e r a n t f u e l c l a d d i n g s [J ]．S u r f a c e a n dC o a t i n g s T e c h n o l o g y,２０１５,２８０:２５６Ｇ２５９．[１４]B i s c h o f fJ ,D e l a f o y C ,V a u gl i n C ,e ta l ．A R E V A N P se n h a n c e da c c i d e n t Ｇt o l e r a n tf u e ld e v e l o pm e n t s :F o c u s o n C r Ｇc o a t e d M ５c l a d d i n g [J ]．N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y,２０１８,５０:２２３Ｇ２２８．[１５]M a i e rB ,Y e o m H ,J o h n s o nG ,e t a l ．D e v e l o pm e n t o f c o l d s p r a y c h r o m i u mc o a t i n g s f o r i m pr o v e da c c i d e n t t o l e r a n t z i r c o n i u m Ｇa l l o y c l a d d i n g [J ]．J o u r n a lo fN u c l e a r M a t e r i a l s ,２０１９,５１９:２４７Ｇ２５４．[１６]K u p r i nAS ,B e l o u sV A ,V o ye v o d i nV N ,e t a l ．I r r a Ｇd i a t i o n r e s i s t a n c e of v a c u u ma r c c h r o m i u mc o a t i ng s f o r z i r c o Ｇn i u ma l l o y f u e l c l a d d i n g s [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a r M a t e r i a l s ,２０１８,５１０:１６３Ｇ１６７．[１７]Z h o n g W ,M o u c h eP A ,H e u s e rBJ ．R e s p o n s eo fC r a n dC r ＧA l c o a t i n g so nZ i r c a l o y Ｇ２t oh i g ht e m pe r a t u r es t e a m [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１８,４９８:１３７Ｇ１４８．[１８]W a n g Y ,Z h o u W ,W e nQ ,e t a l ．B e h a v i o ro f p l a s m a s p r a y e dC r c o a t i n g s a n dF e C r A l c o a t i n g s o nZ r f u e l c l a d d i n g u n d e r l o s s Ｇo f Ｇc o o l a n ta c c i d e n tc o n d i t i o n s [J ]．S u r f a c ea n d C o a t i n g sT e c h n o l o g y,２０１８,３４４:１４１Ｇ１４８．[１９]Z h o n g W ,Mo u c h ePA ,H a nX ,e t a l ．P e r f o r m a n c e o f i r o n Ｇc h r o m i u m Ｇa l u m i n u ma l l o y s u r f a c e c o a t i n g s o nZ i r c a l o y ２u n d e rh i g h Ｇt e m p e r a t u r es t e a m a n d n o r m a lB WR o p e r a t i n gc o nd i t i o n s [J ]．J o u r n a l o fN u c le a rM a t e r i a l s ,２０１６,４７０:３２７Ｇ３３８．[２０]P a r kDJ ,K i m H G ,J u n g YI,e t a l ．B e h a v i o ro f a n i m p r o v e dZ rf u e lc l a d d i n g w i t h o x i d a t i o nr e s i s t a n tc o a t i n g u n d e r l o s s Ｇo f Ｇc o o l a n t a c c i d e n t c o n d i t i o n s [J ]．J o u r n a l o fN u Ｇc l e a rM a t e r i a l s ,２０１６,４８２:７５Ｇ８２．[２１]K u p r i nАS ,B e l o u sV А,V o ye v o d i nV N ,e t a l ．V a c Ｇu u m Ｇa r c c h r o m i u m Ｇb a s e d c o a t i n gs f o r p r o t e c t i o n o f z i r c o n i u m a l l o y s f r o mt h e h i g h Ｇt e m p e r a t u r e o x i d a t i o n i n a i r [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１５,４６５:４００Ｇ４０６．[２２]K i m H G ,K i mIH ,J u n g YI ,e t a l ．O u t Ｇo f Ｇpi l e p e r Ｇf o r m a n c e o f s u r f a c e Ｇm o d i f i e dZ r c l a d d i n gf o r a c c i d e n t t o l e r a n t f u e l i nL WR s [J ]．J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s ,２０１８,５１０:９３Ｇ９９．[２３]J i nD ,Y a n g F ,Z o uZ ,e t a l ．As t u d y of t h e z i r c o n i u m a l l o yp r o t e c t i o nb y C r ３C ２ＧN i C rc o a t i ng f o rn u c l e a rr e a c t o r a p p l i c a t i o n [J ]．S u r f a c ea n d C o a t i n g s T e ch n o l o g y ,２０１６,２８７:５５Ｇ６０．[２４]王晓婧,刘艳红,冯硕,等．锆合金表面磁控溅射制备S i C ＧC r 复合涂层的研究[J ]．真空科学与技术学报,２０１８(４):３３２Ｇ３３８．作者简介:潘晓龙(１９７９Ｇ),男,高级工程师,硕士,主要从事稀有金属材料研发及表面改性等方面的研究.收稿日期:２０１９Ｇ０８Ｇ１６责任编辑㊀郑练。
金属材料表面涂层技术的研究现状与应用
金属材料表面涂层技术的研究现状与应用随着现代工业的发展，金属材料的应用范围越来越广泛，但是常规的金属制品往往存在着问题，例如耐腐蚀性、硬度等方面的不足。
针对这些问题，表面涂层技术的应用成为了一种解决方案。
本文将介绍金属材料表面涂层技术的研究现状及应用，并探讨其未来发展趋势。
一、表面涂层技术的研究现状1. 传统表面涂层技术传统表面涂层技术包括喷涂、电镀、热喷涂等。
喷涂技术能够将涂料均匀地喷涂在工件表面上，形成均匀的涂层，但其粘附力和硬度不如其他技术。
电镀技术能够制造出高耐腐蚀性和高制品表面光洁度的涂层，但有害物质排放问题。
热喷涂技术可以制备出厚膜、高压强度的涂层，但因技术复杂，造价高昂。
2. 新兴表面涂层技术新兴表面涂层技术包括VPP技术、PECVD技术、ALD技术和微波辐射等。
VPP技术能够在常温下实现均匀涂层，具有高度的粘附力和优异的机械性能，但材料选择受限。
PECVD技术能够实现化学反应性涂层，生成具有高密度和高质量的薄膜，但衬底温度要求高。
ALD技术能够实现原子尺度下的修饰和涂覆，制备出均匀、致密、可控的薄膜，为材料设备尺寸和复杂度提供了更广泛的适用性。
二、表面涂层技术的应用1. 材料耐腐蚀方面的应用表面涂层技术可以使金属材料具备更好的耐腐蚀性。
例如，在海洋环境或板材淋浴场所使用的不锈钢凝凝衣，表面涂层能够形成致密的氧化皮，保护不锈钢表面。
表面涂层技术还可以在高温、高压和酸碱性等苛刻环境下保护材料。
2. 摩擦减少和磨损防护方面的应用表面涂层技术还可以实现金属材料的摩擦减少和磨损防护。
例如，汽车发动机活塞环表面涂层，不仅能够防止摩擦产生的热量和磨损，还能够提高发动机效率。
表面涂层技术也可以使冲压模具具有更好的耐磨性和寿命。
三、表面涂层技术未来的发展趋势1. 减少有害物质排放在环保意识逐渐提高的今天，减少有害物质排放成为了表面涂层技术发展的重要方向之一。
在新的表面涂层技术中，衬底温度和材料选择限制已经逐渐被克服，制备出了更纯净环保的涂层。
Cr_涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展
表面技术第52卷第12期研究综述Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展严俊，廖业宏，彭振驯，王占伟，李思功，马海滨，薛佳祥，任啟森（中广核研究院有限公司 核燃料与材料研究所，广东 深圳 518000）摘要：自2011年日本福岛核事故后，事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点，旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。
锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一，其中，Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。
围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面，对Cr 涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。
首先，对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点，涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术，同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。
其次，简单阐述了Cr涂层微观组织特征，重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为，以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等，并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。
最后，对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。
关键词：事故容错燃料；Cr涂层锆合金；腐蚀；氧化；力学性能中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)12-0206-19DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.019Review on Cr-coated Zirconium Alloy Cladding for Accident Tolerant FuelYAN Jun, LIAO Ye-hong, PENG Zhen-xun, WANG Zhan-wei,LI Si-gong, MA Hai-bin, XUE Jia-xiang, REN Qi-sen(Institute of Nuclear Fuel and Materials, China Nuclear Power Technology Research Institute,Guangdong Shenzhen 518000, China)ABSTRACT: After the Fukushima nuclear accident in Japan in 2011, accident tolerant fuels (ATF) have become the research focus of nuclear power enterprises and related scientific research institutions, which aims to improve the reliability and safety of the nuclear reactors. The surface-modified Zr alloy cladding is a short-term goal for research and development of ATF and the Cr-coated Zr alloy cladding has become the current main technical route. Focusing on the preparation techniques, microstructural characteristics, and critical service performance, the related research of Cr-coated Zr alloy cladding was reviewed. Firstly, the various preparation techniques and characteristics of Cr coating on zirconium alloy surface were compared and introduced, including physical vapor deposition, cold spraying, and 3D laser and the preparation techniques and related research and development progress adopted by international nuclear power giants were introduced at the same time. Secondly, the microstructure of Cr coating was described and the corrosion performance, fretting and abrasion performance, high temperature收稿日期：2022-11-24；修订日期：2023-03-21Received：2022-11-24；Revised：2023-03-21基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0702404）Fund：National Key Research and Development Program (2017YFB0702404)引文格式：严俊, 廖业宏, 彭振驯, 等. Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 206-224.YAN Jun, LIAO Ye-hong, PENG Zhen-xun, et al. Review on Cr-coated Zirconium Alloy Cladding for Accident Tolerant Fuel[J]. Surface第52卷第12期严俊，等：Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展·207·mechanical behavior and irradiation behavior of Cr-coated Zr alloy under normal operating conditions were emphatically expounded. Moreover, the internal pressure creep and burst behavior at high temperature, high-temperature steam oxidation and quenching behavior the Cr-coated Zr alloy cladding were elaborated. In addition, the mechanisms related with irradiation, oxidation, and corrosion were summarized and analyzed in depth. Finally, the existing problems and the future development directions for the current research were thoroughly summarized and prospected.KEY WORDS: ATF; Cr-coated Zr alloy; corrosion; oxidation; mechanical properties锆合金因具备热中子吸收截面小、耐高温水腐蚀性能优异、力学性能良好等特有的综合性能，被广泛用作反应堆核燃料包壳材料[1-10]。
耐事故燃料研发进展及技术发展趋势
耐事故燃料研发进展及技术发展趋势目录1. 内容概览 (2)1.1 耐事故燃料的概念及重要性 (2)1.2 国内外研发现状分析 (3)1.3 研究目的及内容 (5)2. 耐事故燃料类型及研发进展 (6)2.1 通用型耐事故燃料 (7)2.1.1 熔融盐燃料 (8)2.1.2 金属燃料 (9)2.1.3 其他类型 (10)2.2 特殊用途耐事故燃料 (11)2.2.1 小型反应堆燃料 (13)2.2.2 高功率密度燃料 (14)2.2.3 反应堆安全模式转换燃料 (15)3. 耐事故燃料关键技术研发 (17)3.1 材料性能及设计 (18)3.1.1 耐高温、耐腐蚀性 (20)3.1.2 热稳定性 (21)3.1.3 构型设计 (22)3.2 表面处理及防护技术 (24)3.2.1 防氧化涂层 (25)3.2.2 气体屏障 (27)3.2.3 热传导优化 (29)3.3 制备工艺及质量控制 (30)3.3.1 粉末合成及烧结 (31)3.3.2 化学处理及表面强化 (33)3.3.3 三维打印技术 (34)4. 耐事故燃料热工性能及安全分析 (35)4.1 燃料热传导特性研究 (36)4.2 燃料安全临界分析 (38)4.3 事故情况下燃料行为模拟 (39)5. 未来技术发展趋势 (40)5.1 材料性能革新 (41)5.2 多功能耐事故燃料 (42)5.3 人工智能辅助设计 (44)5.4 开放式研发合作平台 (45)1. 内容概览随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，研发耐事故燃料已成为全球能源领域的研究热点。
耐事故燃料是指具有较低的火灾、爆炸、泄漏等安全风险的燃料，能够在发生事故时有效地降低损失和环境污染。
本文档将对耐事故燃料的研发进展进行梳理，并分析其技术发展趋势。
本文将介绍耐事故燃料的基本概念和分类，以及国内外在耐事故燃料领域的研究现状。
本文将重点关注耐火油、低硫煤焦油等传统耐事故燃料的研发进展，以及新型耐事故燃料如生物柴油、氢能等的研究动态。
应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层研究进展
应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层研究进展1. 引言1.1 背景介绍高熵合金是一种由五种或更多种元素组成的均匀固溶体，其具有优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性等特点，因此被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。
高熵合金在高温高应力环境下仍然存在一定的脆性问题，这限制了其在事故容错燃料组件等关键领域的应用。
为了解决这一问题，研究人员开始将高熵合金应用于事故容错燃料组件，并通过涂层技术对其进行改性，以提高其耐热性和抗腐蚀性能。
目前，关于应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层的研究还处于起步阶段，仍需要进一步深入探讨其在这一领域的应用潜力。
本文将对该领域的研究进展进行全面总结和分析，以期为相关领域的进一步发展提供参考和借鉴。
1.2 研究目的本文旨在探讨应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层研究进展。
研究的目的在于提高事故容错燃料组件的性能和安全性，为核能领域的发展提供技术支持。
通过研究高熵合金涂层在事故容错燃料组件中的应用，可以增强其抗腐蚀性能和热稳定性，提高其使用寿命和安全性能。
本研究旨在探索新型高熵合金涂层在核能领域的应用潜力，并为相关领域的研究和发展提供新的思路和方法。
通过本研究的开展，将有助于推动高熵合金涂层技术在核能领域的应用和推广，为核能安全和可持续发展做出贡献。
1.3 研究意义对应用于事故容错燃料组件的高熵合金涂层进行研究具有重要的意义。
这有助于提高事故容错燃料组件的工作效率和寿命，进一步保障工业生产的安全稳定。
研究高熵合金涂层在事故容错燃料组件中的应用，有助于推动高熵合金材料在工业领域的应用和发展，为材料科学的进步提供重要的参考和支撑。
最重要的是，这项研究还将为事故容错燃料组件材料的改进和优化提供新的思路和方法，为提高工业安全和生产效率做出积极贡献。
2. 正文2.1 高熵合金涂层的特点高熵合金涂层是一种由多种高熔点金属组成的合金涂层，具有以下特点：1. 高熔点：由于高熵合金涂层由多种高熔点金属组成，其熔点通常较高，能够承受高温环境下的热应力，保持涂层的稳定性。
211167909_CF3_燃料棒用包壳腐蚀性能研究
收稿日期：2022-09-06作者简介：CF3燃料棒用包壳腐蚀性能研究邢 硕 蒲曾坪 焦拥军 张 坤 张 林 秋博文（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都 610213）摘 要：针对自主研发的CF3燃料组件用包壳，基于锆合金腐蚀机理，通过分析堆内外腐蚀数据，开展了包壳腐蚀性能研究，建立了CF3燃料组件用包壳的腐蚀模型，并研究了模型的不确定性。
验证结果表明最佳估算模型可以较好地描述CF3燃料组件用包壳的腐蚀性能，上界模型具有包络性。
关键词：CF3；燃料棒；腐蚀性能；包壳59为线性，不同温度下的腐蚀数据可归纳为：t K W L =∆ （3）其中，K L 为线性（或转折后）速率常数，常数K L 满足：[]exp /()L K A Q RT =− （4）式（2）和（3）中的A 为常数或与中子辐照相关的系数，Q 为激活能，转折前后激活能Q 和A 取值有差异，T 为温度（K），R 为理想气体常数。
2. CF3燃料棒用包壳腐蚀性能的影响因素研究为了更好地描述N36包壳的腐蚀性能，通过池边检由图3知，N36锆合金包壳氧化膜厚度随快中子注量增大而存在阶梯状增大的趋势。
通过分析已发现N36锆合金包壳氧化膜厚度与中子注量率无直接关系，且由于中子注量是中子注量率对时间的积分。
再结合图2给出的规律，可知N36锆合金包壳氧化膜厚度随快中子注量增大而增大，主要体现了时间积累对包壳氧化膜厚度的影响，氧化膜厚度随着时间的增加而增加。
2.3化学成分的影响Sn li （ppm），a为相关修正系数，pre C和posr C为常数。
另外考虑到，在反应堆运行的过程中会出现局部沸腾，将使得包壳界面温度升高。
包壳表面垢的形成，也会使包壳界面温度升高，在N36模型的建立过程中均未考虑以上影响因素。
故引入温度影响因子，并在计算过程中增加两部分的温升计算，其中温升影响因子为：组件，所有轴向段相对应计算值与测量值的比较。
由图7和图8均可知，N36最佳估算腐蚀模型可以较好地预测氧化厚度。
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耐事故燃料包壳涂层材料研究现状
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。