Определение условий, позволяющих предотвратить растрескивание покрытия (Zr,Y)O2, напыленного в плазме на циркониевый сплав

1.

Презентация по материалам учебной
практики (научно-исследовательской
работы, основы физики плазмы)
Определение условий, позволяющих предотвратить растрескивание
покрытия (Zr,Y)O2, напыленного в плазме на циркониевый сплав
Выполнил: Хатуль Пётр Владимирович
Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент
А.Е.Евсин
Москва 2024

2.

Актуальность
Одной из опаснейших аварий на
АЭС является авария с потерей
теплоносителя (LOCA). В ходе
LOCA
из-за
разгерметизации
первого
контура
и
утечки
теплоносителя
активная
зона
реактора разогревается до высоких
температур, и на оболочках твэлов
начинает
происходит
экзотермическая пароциркониевая
реакция с выделением большого
количества водорода. Возникает
Авария на АЭС Фукусима-1
опасность взрыва.
Пароциркониевая реакция:
+ 6530 кДж/кг
2

3.

Актуальность
• Оболочки ТВЭЛов покрываются
диоксидом
циркония,
что
частично гасит реакцию. До
температуры порядка 1200 °C
цирконий и его оксид имеют
примерно одинаковое линейное
расширение, однако выше этой
температуры
у
диоксида
циркония происходит фазовый
переход,
сопровождающийся
растрескиванием
оксидной
плёнки.
• Возможным вариантом решения
проблемы
является
Пароциркониевая реакция:
использование
+ 6530 кДж/кг
модифицированного оксидного
слоя (Zr, Y)O2.
3

4.

Результаты предыдущего
семестра
• Проведены напыления плёнок оксида циркония, стабилизированного
иттрием, на установке «Декор» в трёх режимах с разным содержанием
иттрия:
2, 12 и 25 mol % Y2O3.
• В результате исследования методами СЭМ, ЭДС и РДС обнаружено:
На поверхности образцов с малым содержанием иттрия в покрытии
наблюдается растрескивание, вспученности и отслоения напылённого слоя.
Дефекты имеют выделенное направление вдоль царапин на поверхности
подложки.
При увеличении содержания иттрия процент тетрагональной фазы ZrO2 в
покрытии и количество дефектов в напылённом слое уменьшаются.
4

5.

Результаты предыдущего
семестра
2 mol% Y2O3
84% t-ZrO2
12 mol% Y2O3
72% t-ZrO2
25 mol% Y2O3
38% t-ZrO2
Прослеживается уменьшение количества дефектов по мере увеличения количества
иттрия, вплоть до полного их отсутствия на покрытии с 25 mol % Y2O3.
Дефекты в покрытии направлены вдоль царапин на подложке
5

6.

Результаты предыдущего
семестра
Предполагается, что возникновение дефектов вызвано тем, что в процессе напыления
циркониевая подложка оксидируется, образуя моноклинный слой диоксида циркония.
Напылённый слой имеет преимущественно тетрагональную фазу. Возникает граница
двух фаз с разными коэффициентами расширения, из-за чего возникает разница в
линейных размерах по мере охлаждения с образованием вспученностей в
напыляемом слое.
Предположительно выделенное направление по азимуту оболочек твэлов при
образовании дефектов в покрытии вызвана царапинами на них, возникших при
изготовлении.
Напылённый слой
Граница двух фаз
6

7.

Цель работы
Цель работы:
Определить условия напыления, позволяющие предотвратить растрескивание
покрытия
Идеи решения проблемы:
• Полировка оболочек твэлов для минимизации влияния царапин на напыляемый
слой
• Напыление металлического подслоя Zr/Y определённого состава: 4 mol % Y.
Напылённый слой
Подслой
7

8.

Описание установки и методов
анализа образцов
Нанесение покрытий происходит путём ионно-плазменного распыления на «Декоре».
Анализ поверхности производился на сканирующем электронном микроскопе, а
элементный анализ напылённого слоя осуществлялся методом ЭДС.
Плазменная камера установки
«Декор»
Электронный микроскоп
8

9.

Нанесение покрытия на
полированные образцы
Сегменты трубок были отполированы с использованием алмазной суспензии в 1мкм
Было проведено напыление покрытия с 2 mol % Y2O3 в отработанном ранее режиме
Неполированный
Полированный
Наблюдается отсутствие дефектов на полированном образце
9

10.

Отработка режимов напыления
металлического подслоя
Для корректировки и оценки требуемых
параметров
напыления
использовался
приведённый
график
зависимости
коэффициента распыления от энергии, а
также соотношение:
NY
I × KY
= a× Y
N Zr
I Zr × K Zr
N – количество напылённого вещества
I – ток на мишень
K – коэффициент распыления
α – размерный коэффициент
10

11.

Анализ Zr/Y подслоя
1000X
5000X
15000X
Приведены фотографии подслоя с различным увеличением. При большом увеличении
наблюдается большая рельефность покрытия => высокая адгезия к подслою
Подслой хорошо держится, отслоений от циркониевой подложки не наблюдается
11

12. Подслой + покрытие

13.

ВЫВОДЫ
Выдвинуто две идеи по предотвращению растрескивания оксидного покрытия:
напыление металлического подслоя и полировка поверхности
Проведено напыление оксидного покрытия с 4 mol % Y на отполированные
образцы.
В результате исследования оксидного покрытия на отполированных образцах
методом СЭМ обнаружено отсутствие дефектов на полированном образце.
Проведена серия экспериментов по определению режима напыления на установке
«Декор» для металлического подслоя с содержанием иттрия: 4 mol % Y.
Проведено напыление подслоя с 4 mol % Y. Установлена хорошая адгезия подслоя к
подложке.
Проведено напыления двухслойного покрытия, состоящего из подслоя с 4 mol % Y и
внешнего слоя 2 mol% Y2O3.
СЭМ-анализ показал…
Подготовлены образцы для испытаний в условиях аварии LOCA
13

14.

Спасибо за внимание!
14