1400℃空气条件下SiC包覆层氧化机理分析

在工业规模大内径喷射流化床内通过化学气相沉积法制备包覆燃料颗粒SiC包覆层,进行反应堆空气进入(AI)模拟工况1400℃氛围下3.5 h高温氧化实验,并采用高分辨扫描电镜(SEM)以及能谱分析(EDS)对SiC材料氧化前后表面及断面进行表征分析。结果表明,开始时SiC包覆层微米级的SiC细小晶体结构非常清晰,在高温时SiC细小晶体结构逐渐被氧化形成玻璃状光滑的Si氧化物,该玻璃状氧化物会阻止氧的扩散渗入,保护SiC包覆层以避免进一步氧化。由于SiC和Si的氧化物的膨胀系数和弹性模量不同,两者间存在层错应力,且Si的氧化物晶体化会导致氧化层体积变化,从而逐渐形成斑点状裂纹。随温度升高,氧又渗入裂纹的界面继续氧化,并且把形成的氧化层逐层剥离掉。SiC包覆层断面的分析表明,氧化层只有1μm左右,说明氧气的扩散和氧化过程非常缓慢。断面SEM分析发现,Si的氧化层和SiC包覆层之间有气孔存在并呈线性分布。EDS分析表明,剥离氧化层后的包覆层Si和C原子比不变,应具有同样的阻挡裂变气体的功能。

高温气冷堆燃料颗粒SiC包覆层性质研究

高温气冷堆(HTGR)燃料颗粒中的SiC包覆层是阻挡裂变产物释放最为关键的一层。本文采用XRD、Raman光谱以及SEM等方法对不同温度下在大内径喷射流化床内通过化学气相沉积法制备的燃料颗粒SiC包覆层进行微观结构分析,研究SiC包覆层在不同制备条件下的微观结构、成分以及密度变化的影响因素。结果发现,在实验设定的MTS(三氯硅烷)浓度范围内,在1 520～1 600℃之间均可制备出C、Si等杂质不明显的β-SiC包覆层,密度略有差异。通过微观结构分析发现,SiC包覆层密度的变小主要是由包覆层内微孔引起,且此微孔在包覆层内呈线性分布,同时基本位于某一相同的沉积表面,因此,微孔的生成与颗粒流化状态密切相关。可见,改善流化质量应是下一步工艺改进的主要方向。