一旦发生核事故，向环境中释放的放射性物质是对人们健康的一大威胁。将放射性物质释放到环境中最关键的屏障是燃料包层。
20世纪50年代发现的传统锆合金，经过一些改进，目前仍被用作反应堆的包层材料。人们正在努力寻找和测试比锆合金更好的燃料包层替代材料，这在福岛事故后得到了发展。这篇文章概述了容错包层(ATC)材料的承诺，现状和面临的挑战的一些情况。2011年，15m高的海啸袭击了福岛的三座核反应堆。核裂变反应停止后，裂变产物仍处于放射性状态，因此它们发出β，α和γ射线。由于这些射线在反应堆中产生衰减热，因此，需要使冷却剂保持循环以冷却反应堆。祸不单行的是，原本计划用作反应堆冷却剂循环应急备用的柴油发电机失灵了。由于循环散热失败，导致靠近锆包层的温度上升到1200℃左右。锆在1200℃以上容易氧化，与水反应释放氢，形成氧化锆。这个反应是放热的，产生大量的热和氢。
这称作失冷却剂事故(LOCA)。产生的大量氢气从安全壳的屋顶逸出。由于严重氧化，Zr包层失效，放射性物质被释放到周围环境中。
理想的包层金属即使在最坏的情况下也应防止放射性泄漏。耐事故的燃料和包层材料是当前研究的热点。主要研究重点是寻找具有比锆合金明显更高抗氧化性的材料。
众所周知，SiC具有最佳的抗氧化性，其次是FeCrAl（铁素体钢）和奥氏体不锈钢。耐事故包层材料中应包含硅，铝和铬的一种或多种元素，这些元素可形成一层保护性氧化层，提供所需的耐腐蚀性。与许多其他普通材料相比，FeCrAl合金具有优异的抗氧化性能，因此在高温炉中主要用作加热元件和元件。在过去的半个世纪里，FeCrAl合金也被考虑用于各种工业应用结构中，包括用于核动力工业。
图3：FeCrAl中存在的多种氧化物层，有助于应对LOCA。（AMPT：Advanced Powder Metallurgical Tube）FeCrAl合金具有优异的抗氧化性能，最高可达1500℃(接近其熔点)。如果FeCrAl管表面存在一层氧化铝膜，它将会在高温(300℃)水中溶解，并在该位置形成一种保护性的氧化铬膜。如果FeCrAl管表面有一层氧化铬膜，并且暴露在事故蒸汽条件下，铬氧化膜将会蒸发，并形成一层氧化铝膜来保护管。因此，Cr在正常操作条件下可保护合金，Al在高于1100℃的温度下可保护合金。作为包层材料的FeCrAl合金，仍然存在一些局限性：与锆合金相比，FeCrAl的寄生中子吸收增加。当前锆合金的包层厚度接近600µm。为使FeCrAl有类似的中子吸收，计算出包层厚度应约为300µm。中子辐照后，FeCrAl 中的初始α相的析出，使其脆性增大。FeCrAl覆层可能比锆合金释放更多的氚到冷却液中。推荐的解决方案是给管道内部涂上氧化铝涂层。由AREVA NP开发的最先进，最成熟的包层解决方案是镀铬的M5™包层，该包层由沉积在M5™包层管表面的15毫米厚的致密铬涂层组成。同样，全球其他几家机构也在开发涂料，特别是铬涂料，作为近期的ATC解决方案。电力研究所正在开发一种钼涂层，而韩国原子能研究所正在研究使用三维激光沉积的铬铝合金涂层。最近的研究表明，抗氧化得到改善。涂层技术的许多变化需要在这方面进行更多的研究。文献资料表明，该ATC仍处于起步阶段。碳化硅（SiC）纤维增强的SiC基体（SiC / SiC）复合材料用碳化硅纤维编织或缝合成的三维(3D)管，被称为管道的架构。通过化学气相沉积(CVD)的方法，可以添加一个中间相。通过化学蒸发渗透(CVI)或纳米渗透过渡共晶相(NITE)热压烧结法来添加基体。内涂层或外涂层可使用不同的技术添加。在很大程度上，复合材料的性能是由纤维的体积分数和取向决定的。当碳化硅暴露在热水中时，会慢慢形成一层二氧化硅保护层，但令人惊讶的是，这层保护层易溶于水而脱落。这被称为SiC衰退。可疑的是，居然允许大量的硅沉积在运行中的反应堆堆芯中，这是一个有待澄清的话题。在存在加工缺陷的情况下，裂变气体有可能从包层中逸出。尽管进行了广泛的研究，我们离理想的核反应堆包层材料还有很长的路要走。锆合金曾一度被认为是理想的材料，但在福岛核电站事故后，发现情况并非如此，锆合金在1200℃以上的抗氧化性较差。在工作，易用性和低成本方面，FeCrAl似乎是最替代Zircaloy的候选材料，但是有关其高温性能的数据有限，需要引起注意。就所开展的工作而言，FeCrAl似乎是最有望替代锆合金的候选材料，它的易得性和低成本令人瞩目，但其高温性能的数据有限，需要引起重视。预计SiC/SiC复合材料将提供比锆合金更多的好处：它们具有较小的中子吸收截面，普通的化学惰性，能够承受更高的燃料燃尽和更高的温度，出色的固有抗辐射性，缺乏渐进的辐射增长且低辐射诱导活化/低衰减热。此外，碳化硅被认为在核废料中是永久稳定的。SiC/SiC复合材料有望比锆合金提供更多的好处：它们具有更小的中子吸收截面、一般的化学惰性、能够承受更高的燃料燃烧和更高的温度、卓越的天然抗辐射能力、无渐进的辐照增长，低诱导激活/低衰变热。此外，SiC在核废料中被认为是永久稳定的。
尽管硅基包层看起来很有吸引力，但关键的可行性问题，如热液腐蚀、正常运行条件下裂纹导致的裂变气体保持的潜在损失、燃料性能建模能力的发展和高处理成本，都必须得到解决。碳化硅中较低的热导率导致燃料温度升高和整个包层上的较大温度梯度，从而导致包层厚度方向上的较大热应力。尽管SiC / SiC复合材料被认为是理想的ATC材料，但仍需要进行大量研究来克服它们目前的局限性。福岛事故推动了工业界对核安全问题的检讨和核安全材料的进一步研究。此时此刻，突如其来的新型冠状病毒感染肺炎疫情依然在神州大地肆虐。全国上下同舟共济、众志成城，为疫情防控贡献着各自的力量。冷的冬，暖的歌，相信我们最终会战胜病毒。站在更长的时间维度来看，新型病毒还会不断出现，人类文明的发展史，一直也是与各种病毒不断斗争的历史。而每一次的胜利，每一次的惨痛代价，也在提醒着我们：真正的文明社会，包括优越的社会制度、健康的生活方式，以及具备科学素养和责任感的公民。愿每一次惨痛的领悟，都能成为我们进步的阶梯，都能成为拯救我们自身的动力。
客服中心：13611628888