[發明專利]一種核反應堆燃料包殼納米復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202110707330.4
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113430488B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 馬大衍;惲迪;李浩;劉俊凱;楊健喬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/06;C23C14/14;C23C14/32;C23C14/35;G21C3/07
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 梁靜

本發明公開了一種核反應堆燃料包殼納米復合涂層及其制備方法，涉及納米復合涂層技術領域。所述納米復合涂層包括在核燃料包殼表面依次疊層設置的金屬層、第一過渡層、第二過渡層及功能層；所述金屬層的成分為Cr；所述第一過渡層的成分為CrN；所述第二過渡層的成分為CrCN；所述功能層的成分為CrTiSiCN。本發明提供的涂層具有良好結合力，通過降低涂層中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包殼的中子經濟性，另一方面獲得高表面硬度和低摩擦系數的C單質相，并達到強減摩耐磨及高導熱效果。

技術領域

本發明涉及納米復合涂層技術領域，具體涉及一種核反應堆燃料包殼納米復合涂層及其制備方法。

背景技術

核能作為一種綠色清潔高效能源，既能夠增加能源供應、優化能源結構，同時能大大減少溫室氣體和污染氣體的排放，在我國能源構成中已成為不可或缺的重要組成部分，未來也應該將發展核電作為中國能源戰略的重點。壓水堆用輕水做冷卻劑和慢化劑，壓水堆堆芯置于一個圓筒形壓力容器內。燃料元件用鋯合金管做包殼，內裝二氧化鈾芯塊。鋯合金包殼作為反應堆堆芯放射性的第一道屏障，具有低中子吸收截面，抗高溫水腐蝕性能，良好的傳熱性能，良好的力學性能及抗輻照性能等一系列優點，被稱為“原子時代的第一金屬”。

然而鋯合金包殼材料在反應堆正常運行工況環境下仍然存在著諸多的問題，流致振動引起的燃料棒與隔架間的微動磨損被認為是燃料棒失效的最重要原因之一。此外，當發生冷卻劑缺失事故(LOCA)時，反應堆內溫度會迅速升高，可達1200℃，在如此高的溫度下，鋯合金包殼會與水蒸汽發生反應，釋放出氫氣與大量的熱，嚴重情況下會導致氫爆發生嚴重事故。所以，如何保證鋯合金包殼在失水事故中的安全性也是一個亟待解決的問題。表面涂層技術作為改善當前鋯合金燃料包殼綜合性能的重要手段，是目前的研究重點。

人們起初趨向于在燃料包殼表面沉積金屬Cr涂層，一方面因Cr有較低的中子吸收截面，另一方面也得益于Cr元素能在涂層表面與腐蝕環境中的O元素形成致密氧化物膜，從而阻止腐蝕介質的進一步腐蝕，具有較好的抗高溫氧化性能。但因其硬度較低，耐磨性能較差，強度較低，在某些極端條件下會導致涂層開裂或磨損失效，故其綜合使用性能還有待研究。同樣，能夠在表面形成致密氧化層的元素還包括Al、Si元素，然而有研究指出，對于一些含Al涂層，在模擬壓水堆正常情況時，發現了AlO(OH)的生成，其生長速度快，附著力差，不利于腐蝕性能的發揮，導致涂層發生剝落，從而成為限制Al元素使用的一個重要因素。

而近年來隨著利用傳統硬質涂層的元素摻雜設計具有納米晶/非晶包覆結構的超硬納米納米復合涂層材料概念的提出，在部件表面改性領域顯示出極其誘人的應用前景。例如，Ti-Si-N薄膜(nc-TiN/a-Si₃N₄)具有納米復合結構和高硬度、高彈性模量、抗高溫氧化性和強韌性的理想組合，充分顯示出單一納米薄膜材料無法比擬的優越性，已成為引人注目的超硬薄膜材料之一。但對于此類含N元素涂層，其N含量較高，而N具有較高的熱中子吸收截面，會大幅度降低包殼使用過程中的中子經濟性。目前核反應堆中壓水堆燃料包殼用鋯合金抗高溫水蒸汽腐蝕性能較差及存在微動磨損等問題。為此，如何保證涂層具有良好的抗高溫氧化性及高耐磨性能的同時，降低涂層對包殼使用過程中帶來的不利影響是包殼涂層需要解決的關鍵問題之一。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述背景技術中存在的不足，本發明提供了一種核反應堆燃料包殼納米復合涂層及其制備方法，該涂層具有良好結合力，通過降低涂層中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包殼的中子經濟性，另一方面獲得高表面硬度和低摩擦系數的C單質相，并達到強減摩耐磨及高導熱效果。同時，與未涂層燃料包殼相比，本發明所涉及涂層也顯著降低了其在高溫水蒸汽環境下的腐蝕增重。

本發明第一個目的是提供一種核反應堆燃料包殼納米復合涂層，包括在核燃料包殼表面依次疊層設置的金屬層、第一過渡層、第二過渡層及功能層；

所述金屬層的成分為Cr；

所述第一過渡層的成分為CrN；