事故容错燃料锆合金包壳表面Cr涂层厚度设计

彭振驯，薛佳祥，郭达禧，任啟森，廖业宏

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518026）

在核反应堆失水事故工况下，锆合金燃料包壳温度急剧上升并与水蒸气发生剧烈放热反应，同时产生大量的氢气。2011年日本福岛核事故将这一安全隐患以惨重的代价暴露出来，近年来，事故容错燃料研发（ATF）成为核燃料领域最重要的研究热点之一。

在现有锆合金核燃料包壳外表面涂覆一层耐腐蚀抗氧化涂层材料，增加安全裕量，是ATF近期产品概念之一[1-5]。锆合金表面涂层的研究可以分为两个阶段：2011年福岛核事故发生之前，以提高锆合金抗微动磨损和耐腐蚀性能为目标，开展了大量硬质陶瓷涂层的研究，如TiN、ZrO2等；2011年之后，主要以提高锆合金事故容错能力为目标，抗水蒸气氧化性能是其最重要的性能评价指标之一，研究的涂层包括金属Cr涂层、MAX相涂层、CrN等氮化物涂层。同时，涂层制备方法也直接影响涂层性能和工程可行性，已报道的锆合金表面涂层材料的制备方法主要有等离子化学气相沉积、冷喷涂、扩散浸渗、电弧离子镀、磁控溅射、射频溅射镀膜等。

近几年国内外对涂层材料的涂覆性能开展了大量的研究工作[6-13]，最终，美国西屋公司和法国法码通公司不谋而合地选择了Cr涂层[14，15]作为ATF近期产品型号，这主要是由于Cr涂层氧化后极易在表面形成致密的氧化膜，阻止氧化侵蚀进一步扩展，另一方面Cr较好的硬度可以有效提高包壳的耐腐性能，同时Cr涂层的工艺相对成熟，工程化难度较小。……