纳米晶金刚石表面改性锆合金提升事故容错燃料淬火性能的关键研究

来自全球核能安全领域的研究人员针对锆合金燃料包壳在失水事故（LOCA）中高温蒸汽反应引发氢爆风险的问题，开展了纳米晶金刚石（NCD）涂层改性研究。实验表明，1 μm厚NCD涂层显著提升淬火性能：再润湿时间缩短21.3%（12.33 s vs 15.67 s），冷却速率提高17.7%（111.48 °C s?1 vs 94.73 °C s?1），莱顿弗罗斯特温度升至572.24°C。该研究为开发事故容错燃料（ATF）包壳提供了重要实验与理论依据。

　　

核能仍是全球能源结构的关键组成部分，但自福岛事故以来，其极端工况下的安全性备受关注。锆合金(Zr alloys)因优异的核性能被广泛用作轻水反应堆燃料包壳材料，但在失水事故(LOCA)中会与高温蒸汽发生反应，导致氢爆风险。为提升锆合金包壳的事故容错性，本研究采用纳米晶金刚石(NCD)涂层进行表面改性，以改善其沸腾传热性能。通过高温淬火实验结合高速摄像、扫描电镜(SEM)和拉曼光谱分析，发现1 μm厚NCD涂层可显著优化传热性能：再润湿时间缩短至12.33秒（较裸锆合金15.67秒提升21.3%），最大冷却速率增至111.48 °C s^?1（对比94.73 °C s^?1提升17.7%），莱顿弗罗斯特温度升高至572.24°C（较基准值提升15.06%）。热力学参数计算表明，NCD通过改善固-液接触温度参数(kρc)提升传热效率，拉曼光谱证实了涂层的稳定性。本研究为发展事故容错燃料(ATF)包壳技术提供了关键实验与理论支撑，对提升核反应堆安全性具有重要价值。作者声明无利益冲突。