核热推进钨基CERMET燃料模拟件制备工艺研究

空间推进系统是太空飞行的关键设备，空间推进系统的推力、比冲和工作寿命直接决定着空间飞行器可执行任务的范围、规模和周期。目前空间推进技术的研究方向主要包括电推进技术、太阳能推进技术、激光推进技术和核热推进技术。但前3种推进技术由于具有难以克服的局限性从而使其难以满足未来空间飞行任务对推进系统高比冲、大推力的要求。核热推进技术采用核反应堆来加热推进工质，与其他推进技术相比，具有更高的比冲，能使单位质量工质产生更大的推力。早在20世纪40年代，美国的科研机构就开展了核热推进系统（NTP）的相关研究

。在NTP项目中，主要研究两种类型的核热推进燃料，一种为石墨基核热推进燃料(将UC弥散在石墨里)；另一种为难熔金属基核热推进复合燃料，即CERMET燃料，这种燃料是将UO

弥散在耐高温金属W或合金W-Re里。与石墨基核热推进燃料相比，CERMET燃料具有更好的抗热冲击性能，更大的热导率和更高高温强度，且与氢气的相容性也更好

。

近年来，NASA的马歇尔空间飞行中心在NCPS项目的支持下，在总结GE710和阿贡研究成果的基础上，对CERMET燃料开展了进一步的研究，其主要研究内容涉及经济可承受且技术成熟的基体材料的确定及制备技术，全尺寸CERMET燃料组件的制造和相关性能测试等

。并计划于近期完成燃料辐照性能测试，在2022年底完成全堆芯试验和飞行技术验证。

变频电机同样可以采取上述普通电机的措施切断循环轴电流回路，来防止高频循环轴电流的产生。除此之外，变频电机还须减小或者消除1.2.2和1.2.3节中所提到的轴电势。主要方法是将电机机座可靠接地，尽可能减小电机机座的接地阻抗，同时在转轴上增加接地电刷。

冷压成型是CERMET燃料的传统制备方法

。NASA在2012～2014年开展了热等静压制备CERMET燃料的工艺研究，并制备出了具有一定实用性的CERMET燃料样品。为了扩容CERMET燃料的制备方法，从2011年开始，美国空军核能研究中心持续开展了采用放电等离子烧结技术制造CERMET燃料的探索性研究，并于2013年成功研制出了贫铀-钨铼CERMET燃料芯块样品。

由于技术封锁，我国在这方面的研究还处于起步阶段，研究水平较低，与国外还有较大的差距

。因此，本文基于国外相关报道，采用ZrO

作为UO

的模拟物料，对钨基CERMET燃料的制备工艺进行了研究，制备出了模拟CERMET燃料芯块样品，并对其使用特性开展了相关分析和测试，以期为该项技术的发展和应用提供参考依据。

1 试样制备和测试

1.1 试样制备

将烧结后的柱形芯体件采用机加工的方式，加工成长度为100mm，包含19个孔且孔径为1.2mm的六棱柱模拟核燃料件，然后采用CVD方法在燃料件的表面上进行了纯钨涂层实验。涂层操作时，先将反应室中的六棱柱模拟核燃料件加热到沉积温度，然后将高纯WF6（99.99%）经加热器加热到沸点以上气化后通入反应室，同时，按比例通入氢气（99.99%）进行化学气象沉积。沉积温度为550℃～650℃，WF

与H

比为1：10，沉积时间为2～3小时。随后对涂层样品进行应用环境性能测试，测试内容主要包括：高温氢气相容性测试和热循环损坏测试。其中，高温氢气相容性测试参数为：测试温度为2000℃，氢气流速为300L/h，氢气压力为0.06～0.07MPa；热循环损坏测试参数为：在10min内由室温升至2000℃，然后开始降温，在10min内降温至300℃以下，采用同样的方法循环15次。

由于钨粉与ZrO

粉之间的堆积密度比接近2：1，平均粒度比达到了6：1，为了提高两种粉末的混合均匀性并控制团聚现象的发生，我们开展了不同工艺条件下的性能对比试验，并通过微观形貌观察和松装密度比来确定最优的球磨机转速和混料时间等工艺参数。图2示出了球磨机在不同转速下混合4h时混合物料的表面形貌。从图中可以看出，当球磨机的转速为250r/min时，混合物粉末的抗团聚效果最好，ZrO

粉在钨粉中离散性好，2种物料混合比较均匀。球磨机转速较低和较高时，粉体都会出现比较严重的团聚现象，物料的不均匀性增大。图3示出了当球磨机转速为250r/min时不同球磨时间对混合粉末微观形貌的影响。从图中可以看出，当球磨时间为6h时，粉体的两相均匀性较好，而球磨时间为4h和8h时，粉体的两相均匀性均较差。

UO

燃料的丧失过程主要包括三个阶段：第一阶段的损失是由表面未被包壳（涂层）覆盖的燃料颗粒气化引起的。这个过程可能持续2-3个循环，这个阶段，添加氧稳定剂的作用不大，这个阶段的损失一般不超过4%，大多数情况下不超过2%。第二个阶段是由于氧沿着晶界或微裂纹进行扩散至表面，并因为表面升华而引起的。损失率应该不会急剧变化，预计会随着在某一温度下的时间延长，损失率降低，这是因为表面的颗粒被消耗掉了，内部氧迁移需要时间。第三阶段，在这一阶段，燃料结构发生了破坏，燃料损失率急剧增大。

(1)有的教师严格遵循教材，上课循规蹈矩，不敢越雷池半步，生怕给学生的学习带来困难，上课时“说的说，听的听”。因此，课堂气氛沉闷。有的教师不分析教材的编写意图，随意更换内容，总想迎合新课程倡导的“自主探究、合作交流、师生互动”的教学方式与课改理念，不顾学生和教学实际，“鼓励”学生探究、合作、交流，整堂课热热闹闹、气氛活跃，实际上学生学习漫无边际，课后一知半解，最终造成课堂教学低效。

1.2 抗氧化涂层实验及性能测试

用ZrO

粉来模拟替代UO

粉，以纯钨粉（纯度≥99.90%）作为基体原料，基于相关文献介绍进行原料配比。图1示出了两种物料的表面形貌。从图中可以看出，2种物料均成球状粉末颗粒，颗粒的均匀度较好，未建大颗粒物料夹杂，由于受范德华力作用，粉状物料团聚成大小不一的堆状。从图中还可以看出，钨粉的粒径约是ZrO

粉的6倍。采用行星式球磨机对两种物料进行均匀混合。混合时，行星式球磨机控制的主要工艺参数包括：混料方式、混料时间、混料转速和球料比。经过实验探索，最终选定的混料工艺参数如下：干混，混料时间6h，转速250r/min，球料比为3:1。

2 实验结果与讨论

2.1 混料参数对混料效果的影响

该款新型催化剂的首次工业应用诞生于一家亚洲石化生产商的台湾苯乙烯生产工厂。生产方是一家年产能24万t的完全集成化苯乙烯单体生产公司。2016年5月安装新型催化剂后，工厂迅速达到了满负荷生产，并以比以往作业更低的温度很快达到了苯乙烯单体的设计生产速率。此外，与之前使用的催化剂性能相比，新型催化剂选择性提升0.4%，且比业内对标的催化剂展现出更高的稳定性。

2.2 烧结芯体的组织形貌及相分析

根据上述机理分析可知，钨基CERMET燃料的损失原理包括：表面气化、元素沿晶界迁移等。一般来讲，采用在芯块表面喷涂W涂层来防止UO

直接与氢气接触的方法可以保护基体完整性从而减少UO

的丧失，延长燃料的服役寿命。因此，本文也开展了W涂层研究。

2.3 涂层性能分析

有研究表明

，CERMET燃料在使用中，UO

随着时间的推移会逐渐丧失。UO

燃料的丧失原因与其在钨基体中所处的位置有关：燃料表面的UO

燃料丧失主要与UO

的蒸发有关，也与燃料通过晶界扩散有关；燃料内部的UO

燃料丧失机理比较复杂，一般可认为是氢气扩散至燃料内部将UO

还原为亚化学计量，冷却后，亚化学计量的UO

又歧化为金属U和化学计量UO

，金属U熔点较低，容易沿晶界迁移，又极易在250℃左右时与氢气反应生成UH

，引起体积膨胀，从而导致燃料丧失和几何完整性丧失。

将混合均匀的物料采用冷等静压成型方式加工成柱形坯。物料成型过程中所设计的关键参数包括：压制压力，保压时间和升降压速度。通过试验和参考相关资料，最终在压制压力为140MPa，保压时间为180s，升压速率为1.5～2MPa/s条件下，成果制备出了模拟CERMET燃料柱形样品芯体。随后将柱形芯体置于氢气保护下的中频烧结炉进行高温烧结。烧结控制的关键工艺参数包括烧结温度和时间。最终确定的烧结参数为：烧结温度大于1900℃，保温时间不低于5小时。

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芯体烧结后的组织形貌对材料的使用性能具有决定性的影响，如果组织形貌不合适，CERMET燃料的使用寿命将极大缩短，燃料碎裂后将工质的流道堵塞，同时也会极大降低CERMET燃料如工质的换热性能，这不仅会降低工质的冲比，而且还会导致燃料局部温度过高而烧坏热推进系统。为了对烧结后的芯体的组织形貌进行观察和研究，将烧结后的芯体样品进行取样、镶嵌、打磨和抛光处理后，在光学显微镜下进行观察和分析。所采用的光学显微镜设备型号为Zeiss Axio Lab.A1 MAT，标准配置及技术参数为，光学系统：ICCS光学系统，镜体：FEM设计，ACR位置编码，其中物镜倍数选用5X和20X，目镜倍数选用10X，观察采用明场，光源：12V、50W卤素灯。芯体烧结后的宏观组织形貌如图4(a)所示，微观组织形貌如图4(b)所示。从图中可以看出，采用前文所述的烧结方法和烧结参数对模拟CERMET燃料芯体进行烧结后，芯体中金属钨和ZrO

两相的混合均匀性较好，结合紧密，空洞很少，表明采用本文所确定的制备工艺和制备参数合理，可以获得满足使用要求的芯体。为了研究芯体烧结后组织成分的变化情况，我们对烧结体又进行了XRD相分析，分析设备采用ARL EQUINOX 3000 X射线衍射仪。分析结果表明，在烧结后的芯体中，ZrO

单斜相占比约为56.45%，W立方相占比约为42.33%。

（1）W涂层的厚度和结合强度。对于CERMET燃料W涂层的性能主要采用涂层厚度和结合强度来进行表征。首先对CVD涂覆后的样品进行了涂层厚度测定。厚度测定是在微观金相照片上进行的，通过金相显微镜配套电脑所带的厚度自动测量软件，对W涂层的厚度进行了测定。测定时，共选取了3个具有代表性的位置，测定结果如图5所示。从图中可以看出，涂层最大厚度可达414.72μm，最小厚度也达到了399.98μm，平均厚度可超400μm，与国外公布的文献资料相比

，数值极为接近，表明采用本文所述的涂层方法能够满足使用要求。此外，为了检测涂层的结合强度，采用拉脱法对涂层的结合力进行了检测，拉脱实验在机械拉脱试验机上进行，共测定了10个样品，最终以其平均值作为结合强度的标定值，测试结果表明W涂层与CERMET燃料基体的结合强度可达14MPa，这样的结合强度，可以对CERMET燃料形成有效的保护，在使用过程中涂层也将难以失效脱落。

（2）环境应用实验。在使用中，CERMET燃料的温度可达3000K以上，且处在氢气的环境中，为了评估模拟燃料在高温氢气环境下的使用寿命和保持性能稳定的能力。我们对样品对又进行了高温氢气环境相容性试验和15次热循环实验，随后对试验样品进行了微观观察和分析，其结果如图7所示。从图7中可以看出：试样在进行了高温氢气相容性和热循环试验后均产生了不同深度的涂层破损，但涂层没有出现剥离现象，涂层的连续性也得以保持，这表明W涂层高温氢气环境相容性很好，同时也具有较强的抗热震能力，可以达到防护基体的目的。

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对样品进行高温氢气相容性及升降温实验后，我们又利用EDS对涂层结合线附近涂层中的元素分布情况进行了分析，其结果如图7所示。从图7中的分析结果可以看出，最高峰和次高峰示出的都是W元素，几个低峰示出的是Zr和O元素，这表明在涂层中，物相仍然以纯钨为主，但是有少量Zr、O元素向涂层中进行了扩散。元素扩散这一现象进一步表明，涂层和基体之间形成的是冶金结合，结合质量和结合强度都有保证。

3 结论

通过对国外核热推进燃料发展历史、制备工艺过程的调研和分析，结合我国的应用需求和技术现状，确定了符合我国国情的钨基CERMET燃料的制备工艺路线和流程。采用ZrO

作为UO

的模拟物料进行工艺研究，成功研制出了孔径为1.2mm、长度为100mm、包含19个孔的六棱柱燃料模拟件，验证了该工艺路线的可行性。为了延长钨基CERMET燃料的使用寿命，减少UO

的丧失，在对UO

丧失过程理论分析基础上，对模拟件进行了钨涂层实验，并对其与高温氢气的相容性问题测试，验证了该种涂层的有效性。

[1]房玉良，刘林，孙海亮，等．核热推进反应堆燃料元件发展概述[J]．宇航总体技术,2020,4(1)：63-70．

[2]王帅，卢波．世界深空探测发展态势及展望[J]．国际太空,2015,(9)：43-49．

[3]解家春，霍红磊，苏著亭，等．核热推进技术发展综述[J]．深空探测学报，2017，4(5)：417-426．

[4]Drake B G,Hoffman S J,Beaty D W．Human exploration of Mars,design reference architecture 5．0[C]．2010 IEEE Aerospace Conference,IEEE,2010：1-24．

[5]解家春，霍红磊，苏著亭，等．核热推进技术发展综述[J]．深空探测学报,2017,4(5)：417-429．

[6]Ludewing H,Powell J R,Todosow M,et al．Design of particle bed reactors for the space nuclear thermal propulsion program[J]．Progress in Nuclear Energy,1996,30(1)：1-65．

[7]王三丙，马元，郭斯茂，等．核热火箭反应堆燃料对比分析[J]．载人航天,2018,24(6)：784-795．

[8]李司宇,霍红磊．核热火箭反应堆燃料技术的国内外研究进展[J]．科技创新导报,2020,(16)：121-126．

[9]Benensky K．Summary of historical solid core nuclear thermal propulsion fuels[D]．Pennsylvania：Pennsylvania State University,2013．

[10]叶培建，邹乐洋，王大轶，等．中国深空探测领域发展及展望[J]．国际太空,2018,(10)：4-10．