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美国阿贡国家实验室开发出新的核材料包覆方法
发布日期: 2020-01-15 04:41 发布人:千亿手机版 观注度:

  2019年9月4日报道,美国阿贡国家实验室(ANL)的科学家取得了一项关键性发现,即采用一种最初为半导体行业开发的技术作为包覆核材料的一种新方式,这将有助于高浓铀(HEU)低浓化

  这种被称为原子层沉积(ALD)的技术,形成了保护核燃料和材料免受反应堆直接暴露于恶劣环境的新方法基础。ALD 技术使得 ANL的科学家能够在表面上原子沉积特定材料的薄膜,这些薄膜层可以形成具有一组特定性能的化学精确涂层。

  在其中一组实验中,ANL 的科学家使用 ALD 技术直接在低浓缩铀-钼(U-Mo)粉末上沉积氮化锆(ZrN)作为涂层。涂层足够薄,既能让中子穿透,同时还能保护燃料不被降解,这种降解通常是燃料与研究堆燃料系统的主要成分铝(Al)产生相互作用引起的。为了研究新开发的 ZrN 涂层的稳定性及其与铝的相互作用,科学家在ANL 的串联式直线加速器设施(ATLAS)上,使用重离子模拟裂变碎片的损伤,进行了多次原位辐照研究。这项重新设计核燃料涂层的工作可支持世界各地使用 HEU 燃料的高功率研究堆进行低浓化改造,以支持国家最小化高浓缩铀的政策。

  另外两组实验是围绕采用 ALD 技术制造的包壳涂层进行,以研究该涂层在反应堆环境中的适应性。该项目使用 ALD 来设计能够抵抗微动磨损的纳米叠层涂层材料。微动磨损是反应堆组件中导致机械磨损的一种行为,抵抗微动的一种方法是在涂层表面涂覆以增加其硬度。用 ALD 涂层(例如 Al 2 O 3 )进行改性并随后进行其他处理的涂层表面,将表面硬度提高了近 100 倍。另外,该项目还围绕开发耐高温抗氧化性的包壳涂层进行了实验,以便涂层能够在严重事故条件下更好地承受反应堆内部的高温。研究团队开发了一种独特的陶瓷复合材料,这种材料可以在低温下制造,但其微观结构非常紧凑。这种陶瓷基复合涂层的开发结合使用了电泳沉积(EPD)法与ALD 法。通过这种方式,科学家能够快速制备一种厚的陶瓷复合涂层,该涂层既符合包壳涂层的要求又能附着在包壳表面。

  据 ANL 的研究员 Sumit Bhattacharya 分析,EPD 和 ALD 本身作为一个沉积过程都会产生足以保护包壳的涂层。因为尽管 ALD 产生了无针孔、致密和附着力强的涂层,但沉积速度相对较慢,若要沉积所需的厚度将需要几天甚至几周的时间。同时,如果只使用 EPD,得到的沉积层是高度多孔的,需要高温烧结才能开发致密的陶瓷复合材料,但是包壳材料是温度敏感的,高温将使其失去所有的机械性能,所以这也不是一项理想操作。使用双重沉积技术的一个主要优点在于能够大大降低生产粘合涂层所需温度。EPD/ALD 技术的组合可在仅 300 摄氏度左右温度下获得粘结涂层,远低于此类复合材料所需的常规烧结温度。

  与其他沉积技术相比,ALD 技术具有另一项重要优势,即可以确保不出现孔隙。例如,化学气相沉积(CVD)技术的沉积速度比ALD 更快,但因此也会造成部分需要填充的通道阻塞,从而在复合材料内部留下大孔隙。

  为了测试涂层能否承受反应堆辐射环境,研究人员在 ANL 的中压电子显微镜设备(IVEM)中,采用不同温度的重离子轰击涂层。最后结果显示,样品保持完好,纳米粉末和覆盖的 ALD 涂层也没有明显变化。

  ANL在 ALD技术用于核应用方面的研究得到了相关单位的资助,包括美国能源部()的核能办公室(NE)、国家核安全管理局(NNSA)、美国西屋电气公司和 ANL 合作成立的实验室指导研究和开发基金。

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