科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種包覆核材料的新方法，能夠盡量減少使用高濃縮鈾的努力。在運(yùn)行中的核反應(yīng)堆內(nèi)部，環(huán)境是極端的，因?yàn)榉磻?yīng)堆組件暴露在強(qiáng)烈輻射、超高熱量以及化學(xué)反應(yīng)冷卻劑的組合中。這就是為什么，為了安全地運(yùn)行反應(yīng)堆，科學(xué)家需要用能夠承受這些條件的材料來(lái)設(shè)計(jì)核反應(yīng)堆組件。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家取得了一項(xiàng)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，采用了一種最初為半導(dǎo)體行業(yè)開(kāi)發(fā)的技術(shù)，并將其用作包覆核材料的一種方式。

這種被稱(chēng)為原子層沉積（ALD）的技術(shù)，形成了保護(hù)核燃料和材料免受反應(yīng)堆惡劣環(huán)境直接暴露的新方法的基礎(chǔ)。原子層沉積，能讓研究人員在表面上原子沉積特定材料的薄膜。通過(guò)建立這些層，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家可以形成具有一組特定性能的化學(xué)精確涂層。燃料開(kāi)發(fā)和鑒定小組經(jīng)理阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核工程師Abdellatif Yacout說(shuō)：我們正在開(kāi)創(chuàng)將原子層沉積用于核應(yīng)用的先鋒。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在技術(shù)方面的專(zhuān)家，由Argonne杰出的研究員Michael Pellin領(lǐng)導(dǎo)，在這些進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用。

燃料涂層能夠盡量減少高濃縮鈾的努力

在一組實(shí)驗(yàn)中，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家使用原子層沉積直接在低濃縮鈾-鉬（U-Mo）粉末上沉積氮化鋯（ZrN）作為涂層。涂層足夠薄，能讓中子穿透，同時(shí)保護(hù)燃料不被降解，通常與研究反應(yīng)堆燃料系統(tǒng)的主要成分鋁（Al）相互作用。為了研究新開(kāi)發(fā)的ZrN涂層穩(wěn)定性及其與鋁的相互作用，科學(xué)家在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Tandem Linac Accelerator System（ATLAS）設(shè)施上，使用重離子（以模擬裂變碎片的損傷）進(jìn)行了多次原位輻照研究。

涂層包層以適應(yīng)反應(yīng)堆環(huán)境

重新設(shè)計(jì)核燃料涂層的這項(xiàng)具體工作支持世界各地使用高濃縮鈾（HEU）高功率研究反應(yīng)堆轉(zhuǎn)換為使用低濃縮鈾（LEU）燃料的努力，以支持最小化高濃縮鈾的國(guó)家政策。另外兩組涉及ALD的實(shí)驗(yàn)圍繞包層進(jìn)行，包層是將燃料成分封裝在核反應(yīng)堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)材料。來(lái)自納米層壓涂層的高抗微動(dòng)性能，該項(xiàng)目使用ALD來(lái)設(shè)計(jì)能夠抵抗微動(dòng)磨損的覆層材料，微動(dòng)磨損是反應(yīng)堆組件中導(dǎo)致機(jī)械磨損的一種行為。抵抗微動(dòng)的一種方法是在涂層表面涂覆以增加其硬度。

用ALD涂層（例如，氧化鋁[Al2O3]）進(jìn)行改性并隨后進(jìn)行其他處理的覆層表面，將表面硬度提高了近100倍。耐高溫抗氧化性，該項(xiàng)目圍繞開(kāi)發(fā)包層涂層，以便它們能夠在嚴(yán)重事故條件下更好地承受反應(yīng)堆內(nèi)部的高溫。該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的陶瓷復(fù)合材料，這種材料可以在低溫下制造，但其微觀(guān)結(jié)構(gòu)非常緊湊。開(kāi)發(fā)這種陶瓷基復(fù)合涂層是一個(gè)兩步的過(guò)程，它包括將電泳沉積（EPD）（一種快速低溫沉積方法）與ALD相結(jié)合。通過(guò)這種方式，科學(xué)家能夠快速創(chuàng)建一種厚的陶瓷復(fù)合涂層，該涂層既能附著又符合覆層表面。

聯(lián)合技術(shù)的力量

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員Sumit Bhattacharya說(shuō)：EPD和ALD本身作為一個(gè)沉積過(guò)程都不會(huì)產(chǎn)生足以保護(hù)覆層的涂層，盡管ALD產(chǎn)生了無(wú)針孔、致密和附著力的涂層，但沉積速度相對(duì)較慢。為了沉積所需的厚度，需要幾天甚至幾周的時(shí)間。同時(shí)，如果只使用EPD，沉積層是高度多孔的，需要高溫?zé)Y(jié)才能致密并附著在基板上。這并不理想，因?yàn)榘鼘硬牧鲜菧囟让舾械模瑢?huì)失去所有的機(jī)械性能。使用雙重沉積技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠大大降低生產(chǎn)粘合涂層所需溫度。

通常，為了開(kāi)發(fā)致密的陶瓷復(fù)合材料，高溫?zé)Y(jié)步驟是必要的。然而，由于覆層是由金屬制成，典型的燒結(jié)會(huì)導(dǎo)致基材熔化或失去強(qiáng)度。不僅不能實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，而且試圖保護(hù)的主要基板也會(huì)被破壞。EPD/ALD技術(shù)的組合可在僅300攝氏度左右溫度下獲得粘結(jié)涂層，遠(yuǎn)低于此類(lèi)復(fù)合材料所需的常規(guī)燒結(jié)溫度。與其他沉積技術(shù)（如化學(xué)氣相沉積（CVD）相比，使用ALD提供了另一個(gè)重要的好處。盡管CVD沉積速度比ALD快，但這樣做會(huì)阻塞部分需要填充的通道。

結(jié)果，它在復(fù)合材料內(nèi)部留下了很大的孔隙率，只有ALD才能確保所有的角落和裂縫。為了測(cè)試涂層能否承受反應(yīng)堆輻射環(huán)境，研究人員在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中壓電子顯微鏡設(shè)備（IVEM）中，用不同溫度的重離子轟擊涂層。之后，樣品保持完好，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米粉末和覆蓋的ALD涂層沒(méi)有明顯變化。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在用于核應(yīng)用ALD方面的研究得到了幾個(gè)組織的資助，包括DOE核能辦公室、DOE國(guó)家核安全管理局、Westinghouse和Argonne的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和開(kāi)發(fā)基金。