[发明专利]球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层及其制备方法

说明书

本发明提供一种球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层及其制备方法，其中，制备方法包括如下步骤：S1，准备包埋粉，所述包埋粉含有石墨粉与高纯硅粉；S2，将球形燃料元件与所述包埋粉放置于石墨坩埚中且使所述球形燃料元件四周被所述包埋粉所包埋；S3，将所述石墨坩埚转移至高温炉中加热进行渗硅反应，以在所述球形燃料元件的表面形成耐磨损抗氧化涂层。根据本发明的制备方法，通过在球形燃料元件石墨基体表面制备梯度结构的碳化硅涂层，提高球形燃料元件的耐磨损性能，降低燃料元件在循环过程中的表面磨损，减少石墨粉尘的形成，防止球形燃料元件石墨基体的氧化，进一步提高球床式高温气冷堆的安全性。

技术领域

本发明涉及核工业材料制备技术领域，具体涉及一种球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层及其制备方法。

背景技术

高温气冷堆是国际公认的最具潜力的第四代核反应堆堆型之一，具有极高的固有安全性。根据所使用的燃料元件的不同，高温气冷堆又可将其分为棱柱堆和球床堆。其中，球床式高温气冷堆使用的球形燃料元件可以通过高压气体推动而在管道内输送，因而更易于实现连续非停堆式的燃料循环与更换，展现出更高的灵活性和可操控性。因此，我国将球床式高温气冷堆列为国家重大专项工程。其中HTR-10项目和HTR-PM项目均已达到临界，此后还将有多台机组建成投产。随着球床式高温气冷堆在我国的成熟与推广，对球形燃料元件的需求也必然与日俱增。

目前已实际投产应用的球形燃料元件主要由直径约50mm的燃料区和壁厚约5mm的无燃料区组成。然而，球形燃料元件表面的石墨基体材料在高温气冷堆循环过程中直接与提升管道内壁和其他堆内构件发生碰撞和摩擦，发生磨损，并会产生一定量的石墨粉尘。此外，研究发现球形燃料元件的石墨基体材料在作为冷却剂的氦气气氛中的磨损程度高于在空气气氛中。这些石墨粉尘在高温堆的一回路中累积，并吸附放射性裂变产物，携带放射性，影响高温气冷堆的安全性。同时，在一回路破口事故情况下，可能会有一定的氧气进入反应堆内并氧化球形元件表面的基体石墨，造成一定的安全风险。

为此，亟需开发一种能够耐磨损、抗氧化的球形燃料元件。

发明内容

碳化硅材料作为一种高强度、高硬度、热稳定性高、抗氧化性能好、中子吸收截面低的陶瓷材料，被广泛地应用于航空航天和核能等领域。尤其是，发明人等经反复研究发现，碳化硅材料与碳基材料的热膨胀系数良好匹配，具有良好的相容性，若将其制备为涂层材料能够较好的保护碳质基体材料。换言之，如果在球形燃料元件的表面制备一层碳化硅涂层，则能够很好的提高燃料元件的耐磨损性能和抗氧化性能。

另外，为了提高球形燃料元件的石墨基体与碳化硅层之间的结合强度等，本发明人等经过反复研究，发现包埋法在燃料元件表面通过原位反应，能够得到结合强度高、致密性好、抗氧化性及耐磨性高的梯度结构的碳化硅涂层，并在此基础上完成了本发明。

本发明的目的在于提供一种球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层的制备方法。

本发明还提供一种通过上述制备方法制备得到的球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层的制备方法，包括如下步骤：

S1，准备包埋粉，所述包埋粉含有石墨粉与高纯硅粉；

S2，将球形燃料元件与所述包埋粉放置于石墨坩埚中且使所述球形燃料元件四周被所述包埋粉所包埋；

S3，将所述石墨坩埚转移至高温炉中加热进行渗硅反应，以在所述球形燃料元件的表面形成耐磨损抗氧化涂层。

进一步地，所述步骤S1中，所述包埋粉中还含有助熔剂，所述助熔剂包含氧化铝、氧化钇、氧化硅中的一种或多种。