核石墨热解炭涂层的辐照损伤及熔盐浸渗特性的研究

发布时间：2020-06-09 19:35

【摘要】：熔盐反应堆是第四代核能系统中六种反应堆型之一，具有固有安全性、核资源有效利用、防止核扩散、燃料循环、经济性等优点。核石墨具有低原子序数、高慢化比、高热导率和优良的机械性能等优势，可作为熔盐堆的中子慢化剂、反射体和堆芯支撑结构。在熔盐堆中，熔盐在核石墨通道内流通。核石墨是多孔材料，高温熔盐及裂变产物气体会扩散渗透到核石墨中，并影响其力学性能、热学性能及辐照寿命等。为了阻隔熔盐及裂变产物气体的扩散与渗透，我们与中国科学院金属研究所合作在核石墨表面沉积热解炭涂层。本论文研究了热解炭涂层的结构及性能、热解炭涂层前后核石墨与熔盐相容性、辐照缺陷对热解炭涂层与熔盐相容性的影响。本论文利用同步辐射掠入射X射线衍射（GI-XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、偏光显微镜（PLM）、高分辨的透射电子显微镜（HRTEM）研究了热解炭涂层的结构、石墨化度、孔径分布，同时采用透气性测试仪研究了热解炭涂层前后氦气渗透性，，进行了静态熔盐实验来检验涂层前后核石墨与熔盐的相容性。实验结果揭示采用化学气相沉积技术在IG-110核石墨基底上沉积的热解炭涂层具有各向异性石墨化结构，结构致密、无裂纹，内部孔洞的孔径仅在纳米级别。热解炭涂层后核石墨的氦气渗透性降低至10-8cm2/s以下，能有效阻隔熔盐向核石墨中的渗透。在熔盐堆堆芯中，热解炭涂层需承受辐照与熔盐的协同作用。本论文采用离子束辐照热解炭涂层，并采用FE-SEM、GI-XRD、TEM、拉曼和X射线光电子能谱（XPS）研究了辐照对热解炭结构的影响。实验结果揭示300keVAr+离子辐照使热解炭涂层中沿C轴方向的石墨相堆垛结构退化、石墨层间距变大。随着离子辐照剂量增加，热解炭涂层中的辐照损伤深度增加，在峰值剂量为0.26DPA时辐照损伤深度达到最大值，在辐照损伤区热解炭的晶体结构趋于无序，并在峰值剂量为1.58DPA时完全非晶。对辐照后的热解炭涂层进行了静态熔盐实验，采用FE-SEM、拉曼、同步辐射近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）和XPS研究了辐照缺陷对热解炭涂层与熔盐相容性的影响。实验结果揭示熔盐使热解炭涂层表面形成C-F键，辐照产生的缺陷进一步促进了热解炭涂层在熔盐中的氟化。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL426

【参考文献】