TRISO微球涂层的微结构与力学性能研究

来源：核动力工程杂志2023年第3期北京时间：

作者：何宗倍, 陈江善, 曾强, 潘小强, 姚力夫, 邱邵宇

单位：1.中国核动力研究设计院，成都，610213；2.中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，成都，610213；

摘要：以ZrO₂微球为模拟核芯，通过流化床化学气相沉积（FBCVD）工艺制备了三结构同向性包覆颗粒（TRISO）微球，利用扫描电镜、透射电镜等对TRISO微球各包覆涂层的微结构进行了观察分析，并采用微米压痕法测试了各包覆涂层的弹性模量和维氏硬度，在此基础上通过压溃实验对SiC涂层的断裂强度进行了测试。结果表明：①Buffer层由大量的球状碳颗粒组成，涂层中存在较多的大孔；②内PyC层和外PyC的结构类似，由大量表面包裹片层结构的球状碳颗粒组成，致密度相对较高；③SiC层以典型的β-SiC结晶态存在，原子层间距为0.26 nm；④各包覆涂层中，Buffer层的弹性模量和维氏硬度最低，分别在13.29 GPa和1.78 GPa左右，内PyC层的弹性模量和维氏硬度分别在25.80 GPa和3.18 GPa左右，外PyC层的弹性模量和硬度分别在28.15 GPa和3.66 GPa左右，SiC层的弹性模量与硬度均最高，分别在141.4 GPa和21.51 GPa左右；⑤通过压溃实验测得的SiC层平均断裂强度为2581 MPa。TRISO微球各包覆涂层不同的结构特征来源于不同的沉积工艺，前驱气体的热分解反应是控制包覆涂层结构的关键。本文对TRISO微球各涂层的结构和力学特征进行研究，获得相应的性能数据，对TRISO微球的设计应用和堆内辐照行为预测具有重要的指导意义。

关键词：TRISO微球, 热解碳, SiC, 微观结构, 力学性能

基金资助：国家自然科学基金：陶瓷基包覆颗粒弥散燃料辐照-热力耦合行为及失效机理研究（U20B2013）