核废料容器铜电沉积制造工艺的微观结构评价及其在深地质处置中的应用

为解决核废料长期安全存储问题，加拿大研究人员开发了用于核废料容器(UFC)的铜电沉积制造工艺。该研究对比了两种电解液(焦磷酸盐和酸性)在不同厂商生产的原型涂层微观结构特征(晶粒尺寸、晶体学织构、晶界类型)，并与瑞典SKB的锻造铜进行性能对比。结果表明电沉积铜的微观结构特性显著影响其机械性能和腐蚀防护能力，为核废料容器制造工艺优化提供了关键数据支撑。

　　

随着全球核能利用的持续发展，高放射性核废料的长期安全处置成为重大挑战。加拿大等核电国家正在开发深地质处置库(DGR)，通过多重屏障系统将核废料封存数百年。其中核废料容器(UFC)作为关键工程屏障，其外层的铜防腐涂层直接关系到长期安全性。当前铜涂层制造面临两大技术路线分歧：加拿大采用3mm厚电沉积铜，而瑞典选择锻造铜。这两种工艺的微观结构差异如何影响性能，成为亟待解决的科学问题。

加拿大核废料管理组织(NWMO)联合多所研究机构，在《Materials Today Communications》发表了关于UFC铜电沉积工艺的突破性研究。该工作通过电子背散射衍射(EBSD)等技术，系统分析了两种电解液(焦磷酸盐和酸性)在不同厂商生产的原型涂层，并与瑞典SKB锻造铜进行对比。研究发现电沉积铜呈现独特的带状结构和<110>织构，而锻造铜为等轴晶粒；焦磷酸盐电解液产生的涂层晶粒更细小(平均20μm)且晶界分布更优。这些微观结构特征直接影响材料的硬度、强度(通过Hall-Petch效应)和抗腐蚀性能。

研究采用的关键技术包括：1) 工业级电沉积工艺制备原型样品；2) 电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向和晶界特征；3) 光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察微观结构；4) 加拿大与瑞典两国的核废料容器铜涂层对比研究。

Materials Analyzed
研究选取5种材料：瑞典SKB锻造铜和4种电沉积铜原型(ED254焦磷酸盐铜、ED57/ED21/ED78酸性铜)。所有电沉积样品均在低碳钢基体上先沉积3-5μm碱性铜打底层，再以20-40μm/h速率构建3mm厚涂层。

Overview of microstructure and data presentations
逆极图(IPF)分析显示：锻造铜为随机取向的等轴晶(50-100μm)；电沉积铜呈现显著<110>织构和带状结构，焦磷酸盐铜晶粒(20μm)明显小于酸性铜(50-200μm)。截面分析发现电沉积铜存在从基体向外生长的柱状晶演变特征。

Discussion
带状结构可能影响涂层机械各向异性；<110>织构与电沉积过程中的择优生长有关；细小晶粒通过Hall-Petch效应提升强度；特殊晶界(如Σ3孪晶界)占比高有利于抗腐蚀。研究指出焦磷酸盐铜在晶粒细化和晶界优化方面具有优势，但需平衡沉积速率与质量的关系。

Conclusions
该研究证实电沉积铜可通过调控微观结构(晶粒尺寸、织构、晶界特征)实现性能优化，为核废料容器制造工艺选择提供科学依据。相比锻造铜，电沉积工艺能更好地适应大规模生产(需制造>10万个UFC)，且焦磷酸盐电解液在控制微观结构方面展现出工程应用潜力。这项工作推进了核废料安全存储技术发展，也为其他厚膜电沉积应用提供了参考范式。