一旦發(fā)生核事故，向環(huán)境中釋放的放射性物質(zhì)是對人們健康的一大威脅。將放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中最關鍵的屏障是燃料包層。
20世紀50年代發(fā)現(xiàn)的傳統(tǒng)鋯合金，經(jīng)過一些改進，目前仍被用作反應堆的包層材料。人們正在努力尋找和測試比鋯合金更好的燃料包層替代材料，這在福島事故后得到了發(fā)展。這篇文章概述了容錯包層(ATC)材料的承諾，現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)的一些情況。2011年，15m高的海嘯襲擊了福島的三座核反應堆。核裂變反應停止后，裂變產(chǎn)物仍處于放射性狀態(tài)，因此它們發(fā)出β，α和γ射線。由于這些射線在反應堆中產(chǎn)生衰減熱，因此，需要使冷卻劑保持循環(huán)以冷卻反應堆。禍不單行的是，原本計劃用作反應堆冷卻劑循環(huán)應急備用的柴油發(fā)電機失靈了。由于循環(huán)散熱失敗，導致靠近鋯包層的溫度上升到1200℃左右。鋯在1200℃以上容易氧化，與水反應釋放氫，形成氧化鋯。這個反應是放熱的，產(chǎn)生大量的熱和氫。
這稱作失冷卻劑事故(LOCA)。產(chǎn)生的大量氫氣從安全殼的屋頂逸出。由于嚴重氧化，Zr包層失效，放射性物質(zhì)被釋放到周圍環(huán)境中。
圖1：衰減熱（紅色）對反應堆產(chǎn)生的總熱量的貢獻。理想的包層金屬即使在最壞的情況下也應防止放射性泄漏。耐事故的燃料和包層材料是當前研究的熱點。主要研究重點是尋找具有比鋯合金明顯更高抗氧化性的材料。
眾所周知，SiC具有最佳的抗氧化性，其次是FeCrAl（鐵素體鋼）和奧氏體不銹鋼。耐事故包層材料中應包含硅，鋁和鉻的一種或多種元素，這些元素可形成一層保護性氧化層，提供所需的耐腐蝕性。與許多其他普通材料相比，F(xiàn)eCrAl合金具有優(yōu)異的抗氧化性能，因此在高溫爐中主要用作加熱元件和元件。在過去的半個世紀里，F(xiàn)eCrAl合金也被考慮用于各種工業(yè)應用結構中，包括用于核動力工業(yè)。
圖3：FeCrAl中存在的多種氧化物層，有助于應對LOCA。（AMPT：Advanced Powder Metallurgical Tube）FeCrAl合金具有優(yōu)異的抗氧化性能，最高可達1500℃(接近其熔點)。如果FeCrAl管表面存在一層氧化鋁膜，它將會在高溫(300℃)水中溶解，并在該位置形成一種保護性的氧化鉻膜。如果FeCrAl管表面有一層氧化鉻膜，并且暴露在事故蒸汽條件下，鉻氧化膜將會蒸發(fā)，并形成一層氧化鋁膜來保護管。因此，Cr在正常操作條件下可保護合金，Al在高于1100℃的溫度下可保護合金。作為包層材料的FeCrAl合金，仍然存在一些局限性：?與鋯合金相比，F(xiàn)eCrAl的寄生中子吸收增加。當前鋯合金的包層厚度接近600μm。為使FeCrAl有類似的中子吸收，計算出包層厚度應約為300μm。?中子輻照后，F(xiàn)eCrAl 中的初始α相的析出，使其脆性增大。?FeCrAl覆層可能比鋯合金釋放更多的氚到冷卻液中。推薦的解決方案是給管道內(nèi)部涂上氧化鋁涂層。由AREVA NP開發(fā)的最先進，最成熟的包層解決方案是鍍鉻的M5?包層，該包層由沉積在M5?包層管表面的15毫米厚的致密鉻涂層組成。同樣，全球其他幾家機構也在開發(fā)涂料，特別是鉻涂料，作為近期的ATC解決方案。電力研究所正在開發(fā)一種鉬涂層，而韓國原子能研究所正在研究使用三維激光沉積的鉻鋁合金涂層。最近的研究表明，抗氧化得到改善。涂層技術的許多變化需要在這方面進行更多的研究。文獻資料表明，該ATC仍處于起步階段。碳化硅（SiC）纖維增強的SiC基體（SiC / SiC）復合材料用碳化硅纖維編織或縫合成的三維(3D)管，被稱為管道的架構。通過化學氣相沉積(CVD)的方法，可以添加一個中間相。通過化學蒸發(fā)滲透(CVI)或納米滲透過渡共晶相(NITE)熱壓燒結法來添加基體。內(nèi)涂層或外涂層可使用不同的技術添加。在很大程度上，復合材料的性能是由纖維的體積分數(shù)和取向決定的。當碳化硅暴露在熱水中時，會慢慢形成一層二氧化硅保護層，但令人驚訝的是，這層保護層易溶于水而脫落。這被稱為SiC衰退。可疑的是，居然允許大量的硅沉積在運行中的反應堆堆芯中，這是一個有待澄清的話題。在存在加工缺陷的情況下，裂變氣體有可能從包層中逸出。盡管進行了廣泛的研究，我們離理想的核反應堆包層材料還有很長的路要走。鋯合金曾一度被認為是理想的材料，但在福島核電站事故后，發(fā)現(xiàn)情況并非如此，鋯合金在1200℃以上的抗氧化性較差。在工作，易用性和低成本方面，F(xiàn)eCrAl似乎是最替代Zircaloy的候選材料，但是有關其高溫性能的數(shù)據(jù)有限，需要引起注意。就所開展的工作而言，F(xiàn)eCrAl似乎是最有望替代鋯合金的候選材料，它的易得性和低成本令人矚目，但其高溫性能的數(shù)據(jù)有限，需要引起重視。預計SiC/SiC復合材料將提供比鋯合金更多的好處：它們具有較小的中子吸收截面，普通的化學惰性，能夠承受更高的燃料燃盡和更高的溫度，出色的固有抗輻射性，缺乏漸進的輻射增長且低輻射誘導活化/低衰減熱。此外，碳化硅被認為在核廢料中是永久穩(wěn)定的。SiC/SiC復合材料有望比鋯合金提供更多的好處：它們具有更小的中子吸收截面、一般的化學惰性、能夠承受更高的燃料燃燒和更高的溫度、卓越的天然抗輻射能力、無漸進的輻照增長，低誘導激活/低衰變熱。此外，SiC在核廢料中被認為是永久穩(wěn)定的。
表1：包層材料選項的相關數(shù)據(jù)摘要。盡管硅基包層看起來很有吸引力，但關鍵的可行性問題，如熱液腐蝕、正常運行條件下裂紋導致的裂變氣體保持的潛在損失、燃料性能建模能力的發(fā)展和高處理成本，都必須得到解決。碳化硅中較低的熱導率導致燃料溫度升高和整個包層上的較大溫度梯度，從而導致包層厚度方向上的較大熱應力。盡管SiC / SiC復合材料被認為是理想的ATC材料，但仍需要進行大量研究來克服它們目前的局限性。福島事故推動了工業(yè)界對核安全問題的檢討和核安全材料的進一步研究。此時此刻，突如其來的新型冠狀病毒感染肺炎疫情依然在神州大地肆虐。全國上下同舟共濟、眾志成城，為疫情防控貢獻著各自的力量。冷的冬，暖的歌，相信我們最終會戰(zhàn)勝病毒。站在更長的時間維度來看，新型病毒還會不斷出現(xiàn)，人類文明的發(fā)展史，一直也是與各種病毒不斷斗爭的歷史。而每一次的勝利，每一次的慘痛代價，也在提醒著我們：真正的文明社會，包括優(yōu)越的社會制度、健康的生活方式，以及具備科學素養(yǎng)和責任感的公民。愿每一次慘痛的領悟，都能成為我們進步的階梯，都能成為拯救我們自身的動力。
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