Получение способом электронно-лучевого осаждения защитных покрытий на основе SiC на циркониевых оболочках ТВЭЛов

Abstract

Благодаря своим физико-химическим свойствам карбид кремния (SiC) рассматривается как наиболее перспективный материал в ядерном материаловедении при изготовлении оболочек ТВЭЛов, защитных покрытий и других элементов конструкции ядерных реакторов. Основным фактором, сдерживающим практическое применение SiC, является отсутствие эффективных технологий изготовления деталей и осаждения покрытий на основе этого соединения. Учитывая, что в ближайшей перспективе станет актуальным повышение долговечности эксплуатации ТВЭЛов в стационарных и аварийных режимах, в работе рассмотрены возможности получения покрытий на основе SiC на циркониевых оболочках ТВЭЛов методом электронно-лучевого осаждения. Покрытия на основе SiC, с одной стороны, не должны оказывать существенного влияния на тепловые режимы работы ТВЭЛов, а с другой, обеспечивать защиту циркониевых оболочек от пароциркониевой реакции при их нагреве в парах воды. Применение электронно-лучевого осаждения покрытий основе SiC расширится, если этот метод обеспечит высокую скорость осаждения покрытий с высоким уровнем адгезии, а структура покрытия позволит защитить циркониевую оболочку от коррозии в перегретой воде и при контакте с ее парами при высоких температурах. В работе была достигнута скорость осаждения до 5 мкм/мин путем оптимизации структуры керамических мишеней на основе SiC и условий их электронно-лучевого испарения в вакууме. Показано, что совмещение процесса электронно-лучевого испарения с обработкой подложки ионами аргона обеспечивает высокий уровень адгезии при температурах осаждения ниже 600 °С, а также снижение степени дефектности покрытия. Нагрев циркониевых оболочек с покрытиями на основе SiC до 1200 °С в атмосфере пара подтвердил возможность повышения их стойкости к окислению.

Owing to its physical-chemical properties the silicon carbide (SiC) is considered as the most challenging material in nuclear materials science for manufacture of fuel-element shells, protective coatings and other elements of nuclear reactor structures. The main factor, limiting a practical application of SiC, is the absence of effective technologies of manufacture of parts and deposition of coatings on the base of this compound. Taking into account that in the nearest future the increase in service life of fuel elements will become urgent in stationary and emergency modes, the possibilities of producing coatings on SiC base on zirconium shells of fuel elements by the method of electron beam deposition are described in the work. Coatings on SiC base, on the one side, should not have significant effect on thermal modes of the fuel element operation and, on the other hand, should provide the protection of zirconium shells from the vapor-zirconium reaction during their heating in water vapors. The application of the electron beam deposition of coatings on SiC base will find the wide spreading, if this method provides the high rate of coating deposition at a high level of adhesion, and the coating structure allows protecting the zirconium shell from corrosion in the overheated water and at contact with its vapors at high temperature. In the work the rate of deposition reached up to 5 μm/min by optimizing the structure of ceramic targets on SiC base and conditions of their electron beam evaporation in vacuum. It is shown that combination of the electron beam evaporation process with substrate treatment with ions of argon provides a high level of adhesion at temperatures of deposition below 600 °C. and also decrease in degree of coating defectiveness. The heating of zirconium shells with coatings on SiC base up to 1200 °C in atmosphere of vapor confirmed the possibility of their resistance to oxidation.