16.3.3. Нанесение многослойных покрытий.

В настоящее время для высокотемпературных реакторов с газовым охлаждением предложено в качестве твэлов использовать шаровые уран-графитовые твэлы на основе микротвэлов с кернами из диоксида урана, покрытыми защитными слоями пироуглерода и карбида кремния. Используемые микросферы диоксида урана в таких твэлах могут насчитывать до 5-6 слоев покрытий из высокоплотных изотропных слоев РуС и слоя SiC.

Исходные микросферы могут быть получены различными методами, в том числе в «золь-гель»-процессе или шликерным литьем. Требования к исходным микросферам для такого топлива, табл. 2, включают размер диаметра 500±50 мкм, коэффициент несферичности (D_max/D_min) ≤ 1,05, плотность, близкую к теоретической, кислородный коэффициент КК ≤ 2,005, однородность зерна UO₂.

Таблица 2.

Основные характеристики сферического микротоплива из uo2, приготовленного шликерным литьем и в «золь-гель» процессе.

Характеристики	Шликерное литье			«Золь-гель»-процесс
	Х ср.	Sxср.	Sx	Х ср.	Sxср.	Sx
Размер, мкм	499	5	24	497	3	14
Коэффициент несферичности	1,05		0,03	1,02		1,01
Плотность, г/см3 Геометрическая Пикнометрическая	10,6 10,6	0,2 0,06		10,6 10,6	0,2 0,06
Масса одной микросферы, мкг	700			706
КК	 2,004			 2,005
Масс. доля С, %	 0,05			 0,01

Для нанесения таких покрытий на микросферы из UO₂ используют пиролиз CH₄, C₂H₂, C₃H₆ в смеси с аргоном, а также смеси состава CH₃SiCl₃ – H₂ – Ar и SiCl₄ – CH₄ – H₂ – Ar. Температура процесса составляет 1300 – 2000°С, преимущественно 1500 – 1600°С. Парциальное давление углеводородов не превышает 50 кПа, а кремний содержащих реагентов – 10 кПа. Осаждение слоев на микросферы проводят в аппаратах псевдоожиженного слоя с коническим газораспределительным устройством. В табл. 3 представлены требования к свойствам покрытий микросфер, а в табл. 4. условия нанесения каждого слоя.

Таблица 3.

Требования к плотности и толщине защитных слоев покрытий микросфер.

Номер слоя	Материал	Толщина, мкм	Плотность, г/см3
1	РуС	90	1,0
2	РуС	30	1,4-1,6
3	РуС	30	1,8-1,9
4	SiC	50	3,2
5	РуС	50	1,8-1,9

Полученные таким образом слои высокотемпературного и низкотемпературного пироуглерода

и слой SiC имеют мелкокристаллическое строение с равноосными зернами. Кристаллическая структура PyC определена как графитоподобная, гексагональная, с отсутствием дальнего порядка. Зерна PyC состоят из отдельных кристаллитов размером 0,03 мкм, количество и ориентировка которых определяют форму и размер зерна. Размеры кристаллитов низкотемпературного пироуглеродного покрытия в 5-10 раз меньше, а межслоевое расстояние больше, чем у высокотемпературного покрытия.

Покрытия из SiC имеют кубическую структуру с параметром решетки а = 0,4360 нм при плотности 3,20 г/см³. Структура слоев покрытий представлена на микрофотографиях на рис.5-7.

Таблица 4.

Условия осаждения покрытий на микросферы из UO₂.

Слой покрытия	Газовая смесь	Доля реагента в смеси, % об.	Т, С
Буферный PyC-1	C2H2 - Ar	40 – 60	1500 – 1550
Высокоплотные изотропные слои PyC:
высокотемпературный	CH4 - Ar	10 – 20	1900 – 2000
низкотемпературный	C3H6 - Ar	15 – 30	1250 - 1400
SiC	SiCl4 – CH4 – H2 - Ar	1,0 – 2,5 1,0 – 2,0 1,0- 2,0	1450 – 1550 1450 – 1550 1450 - 1550
SiC	CH3SiCl3 – H2 - Ar	2,5 – 3,5	1500 - 1600

Рис. 5. Внешний вид (а) и рельеф поверхности (б) сферических частиц из UO₂.

Рис.6. Структура шлифов микротвэлов пяти- и четырехслойной конструкции, 70

Рис. 7. Микроструктура слоев покрытия:

а – изотропный высокотемпературный РуС ( 2000);

б - изотропный низкотемпературный РуС ( 2000); в – SiC (1000)

Измерение микрообъемов газов и проведенные расчеты показали, что при КК не превышающем 2,001, давление СО в микросфере с покрытиями на начальном этапе облучения составит 2-4 МПа.

Кратковременные испытания поведения микротвэлов при температурах 2200°С показали начало разрушений отдельных микротвэлов в течение первых 2-6 часов выдержки. Исходные микротвэлы такой конструкции допускают выдержку при 2100°С в течение 5 часов без их разрушения.