燃料包殼，是核燃料元件的重要組成部分，其材料在保證核電站的安全運行方面發揮著至關重要的作用。福島核事故發生以來，鋯合金表面涂層技術憑借其不用改變現有鋯合金包殼設計，還能提高包殼性能的優點，成為耐事故燃料包殼材料的重點研究方向之一。近日，我院輻射技術研究所的陳琳研究團隊依托財政資金改革與發展專項課題，自主研發制備了一種具有抗輻照、耐高溫蒸汽氧化性能的核燃料包殼涂層材料。

陳琳團隊

目前，鋯合金涂層制備技術主要包括磁控濺射、多弧離子鍍、化學氣相沉積、熱噴涂層等。傳統的涂層沉積技術，可能存在大顆粒、孔洞等組織缺陷問題，致密性低、膜基結合力差也將影響涂層的各項性能，此外，高溫作業環境會嚴重影響基材性能。而近年來興起的高功率脈沖離子束涂層制備技術，可提高離子遷移能力，獲得的涂層致密性高，且離子的種類、能量、密度、入射角和工作壓強可在很寬的范圍內獨立控制。

高功率脈沖磁過濾復合設備圖

鑒于此，陳琳研究團隊在前期研究的基礎上，創新性地采用了高功率脈沖離子束復合技術，即高功率脈沖磁過濾陰極弧等離子體沉積(HIPIFCVA)和高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)的復合技術，制備了以Cr-TiCrSiC-TiCrSiCN為涂層的鋯合金燃料包殼。通過對電壓、電流、頻率等電參數及氣流量等參量的不斷調試，實現了晶態結構、材料組分、界面狀態的可控調節。

涂層的透射電鏡圖

經實驗證實，所制備的非晶/納米晶Cr-TiCrSiC-TiCrSiCN涂層具有較強的抗輻照能力。對氣流量為10sccm條件下制備的樣品進行輻照實驗，采用He+離子代替中子進行輻照，能量為50keV，輻照劑量1*1017ions/cm2。輻照后對材料的顯微硬度進行測試，發現涂層的納米硬度僅變化了 6.1%，維持了較好的硬度。同時該涂層還具有優異的抗摩擦磨損及腐蝕性能。

隨后，進一步對核燃料包殼涂層進行耐高溫蒸汽氧化性能測試，表明該核燃料包殼涂層具有良好的耐高溫蒸汽氧化。測試發現，900℃蒸汽氧化3600s后，具有涂層的鋯合金燃料包殼增重僅為基材的1/4。

目前，該成果的研發團隊已獲得發明專利1項，另外還有2項發明專利正在申請中，獲得中國博士后基金資助1項。下一階段，該研發團隊將繼續深入研究耐事故燃料包殼涂層，進一步優化工藝參數，通過模擬核燃料包殼材料工作環境，評估其穩定性、可靠性，為耐事故燃料包殼的應用提供新的技術方案。

(科研處/文 陳琳/攝)