阿尔贡国家实验室的贾里德·萨格夫 阿尔贡的苏米特·巴塔查里亚(左)和阿卜杜勒拉蒂夫·雅库特(右)发现了一种新的核材料涂层方法，支持尽量减少高浓缩铀的使用
学分:阿尔贡国家实验室 阿尔贡科学家发现了一种包覆核材料的新方法，支持尽量减少使用高浓缩铀的努力
在运行中的核反应堆内部，环境是极端的，因为反应堆部件暴露在强烈的辐射和热量以及化学反应冷却剂的组合下
这就是为什么，为了安全操作反应堆，科学家需要用能够承受这些条件的材料来设计他们的部件
美国大学的研究人员
S
美国能源部阿贡国家实验室取得了一项关键的发现，采用了一项最初为半导体工业开发的技术，并将其用作核材料的涂层
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不直接暴露于反应堆恶劣环境的新方法的基础
原子层沉积，顾名思义，允许研究人员在表面沉积特定材料的原子薄膜
通过建立这些层，阿尔贡科学家可以形成化学精确涂层，设计成具有一系列特殊性能
“我们在利用ALD进行核应用方面处于领先地位，”阿贡核工程师阿卜杜勒拉蒂夫·雅库特说，他是燃料开发和认证小组的经理
由阿尔贡杰出研究员迈克尔·佩林领导的阿尔贡技术专家在这些进步中发挥了重要作用
燃料涂层支持尽量减少高浓缩铀的努力 在一组实验中，阿尔贡科学家利用ALD在低浓缩铀-钼粉末上直接沉积氮化锆作为涂层
涂层足够薄，可以让中子穿透，同时防止燃料降解，通常是防止与铝(铝)的相互作用，铝是研究反应堆燃料系统的主要成分
为了研究新开发的氮化锆涂层的稳定性及其与铝的相互作用，科学家们在美国能源部科学用户办公室的阿贡串列加速器系统(ATLAS)设施中，利用重离子(模拟裂变碎片的损伤)进行了多次非原位辐照研究
这一重新设计核燃料涂层的具体工作支持了将世界各地使用高浓缩铀(HEU)的高功率研究反应堆转化为使用低浓缩铀(低浓缩铀)燃料的努力，以支持HEU减量化的国家政策
涂层覆盖层可承受反应堆环境 另外两组涉及ALD的实验围绕包壳展开，包壳是一种结构材料，将燃料成分封装在核反应堆内部
纳米层压涂层的高抗磨损性
该项目利用ALD设计了能够抵抗微动磨损的包覆材料，这种磨损是反应堆组件中导致机械磨损的一种行为
雅库特说:“防止磨损的一种方法是在覆层表面进行涂层，以增加其硬度。”
“用ALD涂层(例如氧化铝[Al2O3])改性的覆层表面，然后进行其他处理，可将表面硬度提高近100倍
高温抗氧化性
这个项目围绕着为包覆层开发涂层，以便在严重事故条件下，包覆层能够更好地承受反应堆内部的高温
该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，但微结构非常致密
开发这种陶瓷基复合涂层是一个两步的过程
它包括将电泳沉积(一种快速低温沉积方法)与ALD相结合
通过这种方式，阿尔贡的研究人员能够快速制造出一种厚的陶瓷-陶瓷复合涂层，这种涂层既能附着在覆层表面，又能符合覆层表面
联合技术的力量 阿尔贡研究员苏米特·巴塔查里亚说，无论是环境保护署还是ALD，作为一个沉积过程，其本身都不会产生足以保护包层的涂层
“尽管ALD产生了无针孔、致密且粘附的涂层，但沉积速度相对较慢
为了沉积出你需要的厚度，需要几天甚至几周的时间，”他说
“同时，如果你只使用三元乙丙橡胶，沉积层是高度多孔的，需要高温烧结才能变得致密并粘附到基底上
这是不理想的，因为包层材料对温度敏感，它将失去所有的机械性能
" 使用双沉积技术的一个主要优点在于能够大大降低产生粘附涂层所需的温度
通常，为了开发致密的陶瓷复合材料，高温烧结步骤是必要的
然而，由于覆层是由金属制成的，典型的烧结会导致基底熔化或失去其强度
巴塔查里亚解释说:“你不仅不能实现烧结，而且你试图保护的主要基底也会被破坏。”
三元乙丙橡胶/ALD技术的结合在仅约300摄氏度的温度下实现了粘附涂层，远低于这种复合材料所需的常规烧结温度
与化学气相沉积等其他沉积技术相比，使用ALD提供了另一个重要优势
尽管化学气相沉积比ALD沉积得更快，但这样做会阻塞需要填充的部分通道
因此，它会在复合材料内部留下大量孔隙
“只有ALD能够确保我们能够处理所有的角落和缝隙，”巴特查亚说
为了测试涂层如何耐受反应堆的辐射环境，研究人员在阿尔贡的中压电子显微镜设备(IVEM)中用不同温度的重离子轰击涂层
之后，样品保持完整，科学家们在纳米粉末和覆盖的ALD涂层中没有发现明显的变化
阿贡在ALD核应用方面的工作得到了几个组织的资助，包括能源部核能办公室、能源部国家核安全管理局；西屋公司和阿尔贡实验室指导研发基金
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
