UO与Zr包壳的扩散反应阻挡层

作     者：黄杰 曾强 刘喆 陈江善 李浩鹏 廖斌 

作者机构：北京师范大学核科学与技术学院 中国核动力研究设计院 

出 版 物：《中国表面工程》 (China Surface Engineering)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 082701[工学-核能科学与工程] 

主　　题：核燃料 扩散阻挡层 相容性 涂层 

摘      要：UO2—Zr燃料体系广泛应用于压水反应堆和各种研究试验堆中，但在反应堆运行工况下，UO2燃料与Zr包壳会发生扩散反应。在UO2燃料与Zr包壳之间制备一层氧扩散阻挡层，阻止UO2中的氧原子向Zr包壳中扩散，是提高核燃料元件的安全性和使用寿命的方法之一。进行理论计算，表明Nb和Cr是最具潜力的氧扩散阻挡层材料。采用电弧离子镀技术制备了Nb、Cr、Nb/Cr三种涂层，通过对这三种扩散阻挡层的研究，发现在UO2燃料上制备一层金属涂层能够有效阻止UO2与Zr包壳的扩散反应，Nb涂层具有较好的氧阻挡能力，但是Nb与Zr在试验条件下能够无限固溶，形成Nb与Zr的双相结构。Cr与UO2燃料和Zr包壳都具有较好的相容性，但是Cr与O原子的亲和性比Nb好，Cr涂层中O原子浓度比Nb涂层中的O原子浓度高。Nb/Cr复合涂层是一种比较理想的扩散阻挡层，且靠近UO2燃料一侧为Nb涂层靠近Zr包壳一侧为Cr涂层。研究结果表明Nb/Cr复合涂层作为氧阻挡层材料，在氧阻挡能力上优于Nb涂层和Cr涂层。扩散反应阻挡层的研究为提高核燃料元件的安全性和使用寿命提供了一定的参考数据。