科學家發現了一種包覆核材料的新方法，能夠盡量減少使用高濃縮鈾的努力。在運行中的核反應堆內部，環境是極端的，因為反應堆組件暴露在強烈輻射、超高熱量以及化學反應冷卻劑的組合中。這就是為什么，為了安全地運行反應堆，科學家需要用能夠承受這些條件的材料來設計核反應堆組件。阿貢國家實驗室的科學家取得了一項關鍵發現，采用了一種最初為半導體行業開發的技術，并將其用作包覆核材料的一種方式。

這種被稱為原子層沉積（ALD）的技術，形成了保護核燃料和材料免受反應堆惡劣環境直接暴露的新方法的基礎。原子層沉積，能讓研究人員在表面上原子沉積特定材料的薄膜。通過建立這些層，阿貢國家實驗室的科學家可以形成具有一組特定性能的化學精確涂層。燃料開發和鑒定小組經理阿貢國家實驗室核工程師Abdellatif Yacout說：我們正在開創將原子層沉積用于核應用的先鋒。阿貢國家實驗室在技術方面的專家，由Argonne杰出的研究員Michael Pellin領導，在這些進步中發揮了重要作用。

燃料涂層能夠盡量減少高濃縮鈾的努力

在一組實驗中，阿貢國家實驗室的科學家使用原子層沉積直接在低濃縮鈾-鉬（U-Mo）粉末上沉積氮化鋯（ZrN）作為涂層。涂層足夠薄，能讓中子穿透，同時保護燃料不被降解，通常與研究反應堆燃料系統的主要成分鋁（Al）相互作用。為了研究新開發的ZrN涂層穩定性及其與鋁的相互作用，科學家在阿貢國家實驗室的Tandem Linac Accelerator System（ATLAS）設施上，使用重離子（以模擬裂變碎片的損傷）進行了多次原位輻照研究。

涂層包層以適應反應堆環境

重新設計核燃料涂層的這項具體工作支持世界各地使用高濃縮鈾（HEU）高功率研究反應堆轉換為使用低濃縮鈾（LEU）燃料的努力，以支持最小化高濃縮鈾的國家政策。另外兩組涉及ALD的實驗圍繞包層進行，包層是將燃料成分封裝在核反應堆內部的結構材料。來自納米層壓涂層的高抗微動性能，該項目使用ALD來設計能夠抵抗微動磨損的覆層材料，微動磨損是反應堆組件中導致機械磨損的一種行為。抵抗微動的一種方法是在涂層表面涂覆以增加其硬度。

用ALD涂層（例如，氧化鋁[Al2O3]）進行改性并隨后進行其他處理的覆層表面，將表面硬度提高了近100倍。耐高溫抗氧化性，該項目圍繞開發包層涂層，以便它們能夠在嚴重事故條件下更好地承受反應堆內部的高溫。該研究團隊開發了一種獨特的陶瓷復合材料，這種材料可以在低溫下制造，但其微觀結構非常緊湊。開發這種陶瓷基復合涂層是一個兩步的過程，它包括將電泳沉積（EPD）（一種快速低溫沉積方法）與ALD相結合。通過這種方式，科學家能夠快速創建一種厚的陶瓷復合涂層，該涂層既能附著又符合覆層表面。

聯合技術的力量

阿貢國家實驗室的研究員Sumit Bhattacharya說：EPD和ALD本身作為一個沉積過程都不會產生足以保護覆層的涂層，盡管ALD產生了無針孔、致密和附著力的涂層，但沉積速度相對較慢。為了沉積所需的厚度，需要幾天甚至幾周的時間。同時，如果只使用EPD，沉積層是高度多孔的，需要高溫燒結才能致密并附著在基板上。這并不理想，因為包層材料是溫度敏感的，將會失去所有的機械性能。使用雙重沉積技術的一個主要優點在于能夠大大降低生產粘合涂層所需溫度。

通常，為了開發致密的陶瓷復合材料，高溫燒結步驟是必要的。然而，由于覆層是由金屬制成，典型的燒結會導致基材熔化或失去強度。不僅不能實現燒結，而且試圖保護的主要基板也會被破壞。EPD/ALD技術的組合可在僅300攝氏度左右溫度下獲得粘結涂層，遠低于此類復合材料所需的常規燒結溫度。與其他沉積技術（如化學氣相沉積（CVD）相比，使用ALD提供了另一個重要的好處。盡管CVD沉積速度比ALD快，但這樣做會阻塞部分需要填充的通道。

結果，它在復合材料內部留下了很大的孔隙率，只有ALD才能確保所有的角落和裂縫。為了測試涂層能否承受反應堆輻射環境，研究人員在阿貢國家實驗室的中壓電子顯微鏡設備（IVEM）中，用不同溫度的重離子轟擊涂層。之后，樣品保持完好，科學家發現納米粉末和覆蓋的ALD涂層沒有明顯變化。阿貢國家實驗室在用于核應用ALD方面的研究得到了幾個組織的資助，包括DOE核能辦公室、DOE國家核安全管理局、Westinghouse和Argonne的實驗室指導研究和開發基金。