熱室內樣品制備技術研究

王華才 程煥林 張林 宋武林 張婉婷 閆格

摘要：核電站能否安全高效運行取決于材料的可靠性。輻照后檢驗工作主要用于研究反應堆材料輻照性能。由于反應堆材料的高放射性，這類檢驗工作往往在熱室內開展，檢驗人員遠程操作存在著很多困難，尤其在燃料棒破壞性檢驗階段，涉及燃料棒的的切割、微觀分析樣品和力學性能測試等一系列樣品的制備工作。該文介紹了熱室輻照后檢驗涉及了樣品類型，以及樣品制備的主要困難。開展了熱室內燃料芯塊樣品和包殼樣品制備技術的研究，重點研究了熱室內燃料芯塊金相樣品的制備和包殼透射電鏡（TEM）樣品的制備技術，以掌握熱室內樣品制備工藝和流程，建立熱室內樣品制備技術。

關鍵詞：熱室微觀分析樣品力學樣品樣品制備技術

中圖分類號：TG146.21文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

The Research of Sample Technology in Hot Cell

WANGHuacai* ?CHENGHuanlinZHANG LinSONG Wulin

ZHANG WantingYAN Ge

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413 China）

Abstract：The reliability of materials determines whether the nuclear power plant can operate safely. Post-irradiation examination（PIE） is used to study the radiation properties of reactor materials. Due to the high radioactivity of materials， PIE is often carried out in hot cell， and there are many difficulties for inspectors to operate remotely，especially in the stage of fuel rod destructive examination， it involves the preparation of samples such as cutting of fuel rods， microstructure analysis samples and mechanical property testing. In this paper， the sample types of PIE and the main difficulties in the sample preparation process are introduced. The research on the preparation technology of fuel pellet samples and cladding samples in hot cell is carried out， focusing on the preparation technology of fuel pellet metallographic samples and cladding transmission electron microscope （TEM） samples in the hot cell， The sample preparation method and proces has been mastered， and the sample preparation technologyr has been established in hot cell.

Key Words：Hot cell; Microstructureanalysis sample; Mechanical sample; Sample preparation technolog

我國核電事業(yè)正進入跨越式發(fā)展階段，迫切需要高性能的核燃料和材料以適應新的發(fā)展需求[1]。材料的性能取決于材料最終加工狀態(tài)的微觀組織和精細結構，而組織結構又依賴于化學成分、生產工藝及其參數(shù)。熱室輻照后檢驗用于研究高放射性反應堆材料的輻照性能，包括微觀結構、力學性能、物化性質變化等，這些工作的開展對于評價反應堆材料服役行為和壽命，推動新型反應堆材料的研發(fā)十分重要[2]。樣品的制備是熱室輻照后檢驗的基礎和關鍵，它包括了微觀分析樣品和力學性能測試樣品的制備等內容。但是由于反應堆材料的高放射性，樣品的制備過程存在很大的困難。該文對熱室內涉及的輻照后檢驗樣品和技術進行了研究，以期為熱室輻照后檢驗工作提供參考和借鑒。

1 熱室內樣品類型

由于物理和化學特性的巨大差異，以及對芯塊和包殼輻照性能的關注點不同，在輻照后檢驗工作中，常常按照燃料棒的組成進行樣品分類。

1.1 燃料芯塊樣品

在熱室輻照后檢驗工作中，燃料芯塊樣品包括金相檢查、拉曼光譜（RAMAN）分析、電子探針（EPMA）測試、掃描電鏡（SEM）測試、微區(qū)γ掃描等樣品，其中RAMAN、EPMA、SEM、微區(qū)γ掃描樣品均可以在制備的金相樣品基礎上進行再制備，滿足劑量水平條件后可進行相應測試。另外，燃料芯塊的金相樣品帶有包殼，也可以同時進行包殼的金相檢查、RAMAN、EPMA和SEM分析。

1.2 包殼樣品

包殼樣品主要分為微觀分析樣品和力學性能測試樣品。其中微觀分析樣品包括X射線衍射分析（XRD）、聚焦離子束電鏡（FIB）、透射電鏡（TEM）等樣品。力學性能測試樣品主要為環(huán)向拉伸和軸向拉伸樣品[3]。

2 熱室內樣品制備存在的困難

2.1 燃料芯塊樣品制備的困難

在燃料芯塊樣品制備過程中，金相樣品的制備涉及多項操作和工藝流程，包括燃料棒的切割，樣品的轉運、澆注、切割、二次澆注、磨拋、蝕刻和觀察等一系列工序[4]。熱室輻照后檢驗工作采用鉛玻璃窺視窗進行觀察，機械手進行遠距離操作，實際工作中存在著諸多不便，例如：簡單的抓取、轉動、固定等動作，都需要花費大量的時間去完成。如何保證每道工序的完成度，以及工序與工序間的順利對接，是燃料芯塊樣品制備的難點。

2.2 包殼樣品制備的困難

由于處理高放射性核燃料樣品的困難性，對于燃料棒包殼的實驗研究大多限于微米級表征。為了全面深入地理解放射性包殼材料微觀結構特征，迫切需要微米-納米級表征技術。TEM可以對晶體結構、晶粒取向、織構、析出相、微裂紋等微觀信息進行詳細表征，但由于TEM樣品往往需要減薄至幾十納米厚度，因此即使非放射性材料制備TEM樣品都存在較大困難[5-6]。

3熱室內樣品制備

3.1 熱室內燃料芯塊樣品制備

3.1.1 熱室內芯塊金相樣品制備

金相樣品是獲得燃料芯塊和包殼組織形貌的有效手段之一，其熱室金相制備過程涉及切割、樣品鑲嵌、精密切割、二次鑲嵌、磨拋、侵蝕等過程，具體見圖1，其整個工藝流程較長，操作較為復雜。通過模擬樣品進行金相樣品的制備，以掌握金相制備工藝流程和技術。

（1）樣品的轉運。

利用機械手將切割后的50 mm小段樣品，經熱室間樣品轉運孔道轉運至金相制備熱室，并放置于真空澆注設備的樣品套管中，為保證后續(xù)縱切面樣品切割時沿直徑方向得到最大面積，樣品套管內部設計增加固定卡具將小段樣品置于套管中間位置。

（2）一次澆注。

按照固液比配好環(huán)氧樹脂，經手套箱、機械手將環(huán)氧樹脂澆注于樣品套管中，打開真空泵抽至低真空狀態(tài)，該步驟是為了保證環(huán)氧樹脂完全進入燃料芯塊中，因為在堆內輻照后的芯塊會產生大量氣孔、孔洞和裂紋，若環(huán)氧樹脂不能進入，在樣品鑲嵌過程中極易發(fā)生碎塊脫落，產生高放射性廢物，同時大大降低樣品表面質量。保持真空足夠時間后泄真空，等待環(huán)氧樹脂凝固。

（3）切割及二次澆注。

待環(huán)氧樹脂完全凝固后，利用機械手將鑲嵌樣品取出，在熱室精密切割機上將樣品切割成15 mm長的橫截面和縱剖面樣品，再進行二次澆注，其過程同一次澆注。

（4）金相樣品的磨拋。

待環(huán)氧樹脂完全凝固后，利用機械手實現(xiàn)整個磨拋操作過程，將樣品轉運至磨拋設備的磨拋盤上，采用磁性吸附式金剛石研磨盤，分別在220#、500#、1200#進行粗磨，9μm金剛石研磨液進行精磨，最后通過3μm、1μm金剛石研磨液進行拋光。每道磨拋工序間需要用去離子水沖洗樣品表面，以防止上一道次的粗顆粒附著在表面產生劃痕。

（5）金相樣品的初步觀察及侵蝕。

拋光完成后的金相樣品，經熱室間樣品轉運孔道轉運至遙控金相顯微鏡鉛室，觀察樣品表面質量。樣品表面無劃痕、彗星拖曳、夾雜或析出相脫落，即可進行金相組織蝕刻。

3.1.2 熱室內芯塊微區(qū)γ掃描、RAMAN、EPMA和SEM樣品制備

橫截面金相樣品觀察完畢后，利用精密切割機上再次切割為1～2mm厚的樣品，滿足劑量限值條件下，可以用于微區(qū)γ掃描、RAMAN、EPMA和SEM分析。

3.2 熱室內包殼樣品制備

3.2.1 包殼XRD樣品制備

XRD測試主要以縱向試樣為主。利用縱向樣品制備平臺，沿軸向切割微觀分析樣品兩刀，兩刀之間的寬度小于4 mm，以保證樣品盡量平整，然后通過機械手段將切割的包殼扒開。獲得的縱向樣品可用于XRD分析，以及后續(xù)TEM分析樣品的制備。樣品座使用鉛制材料以增加屏蔽效果，并增加石英玻璃罩于樣品座上，以防止裂變氣體或氣溶膠擴散至空氣中，保證XRD測試工作的順利開展。

3.2.2 TEM分析樣品

壓水堆燃料棒包殼水側腐蝕導致產生氧化層[7-8]。為保證熱室TEM樣品制備的成功率，通過常規(guī)離子減薄技術和聚焦離子束（FIB）技術，開展模擬燃料棒包殼氧化層TEM樣品制備技術的研究。

（1）離子減薄制備TEM樣品。

①樣品準備

首先將3.1.2中的樣品切割成2～3mm寬的小樣品，再通過鉛屏蔽盒轉運至手套箱內，后續(xù)制備過程均在手套箱中進行。選擇合適的的粘合劑（如AB膠），將兩個切割后的小樣品表面粘合在一起，粘合后的樣品切割至合適大?。s1～2mm厚），并將其安裝固定在樣品支架上進行初始減薄和離子減薄，其過程示意見圖3。

②初始減薄及凹坑

首先，將粘合的樣品（1～2mm）放在電加熱板上，使用石蠟將其固定于Gatan研磨塊上，然后分別使用300#、600#、1000# SiC砂紙將樣品研磨至約500μm。其次，升溫電加熱板將直徑?3mm銅片粘在研磨塊上，并將研磨至1000#的一面樣品粘在銅片上，待完全固化后繼續(xù)使用1000#、2000#SiC砂紙研磨至約100～150μm。最后，將?3mm銅片放在加熱板上升溫并從研磨塊取下，轉移至手套箱內的凹坑儀中，利用凹坑儀將樣品待觀察區(qū)域凹至50μm以內。

③離子減薄

將初始減薄及完成凹坑的?3mm銅片樣品放置于離子減薄儀中進行離子束刻蝕減薄。調節(jié)雙束離子槍位置對準待減薄區(qū)域，離子減薄的初始電壓設置為6kV，角度為±（6～10）°，較大電壓和角度是為了在短時間內減薄樣品，從而減少離子減薄時間。待減薄至出現(xiàn)薄區(qū)后電壓改為1～3kV，角度減小為±（1～3）°繼續(xù)減薄，以增加薄區(qū)面積。

（2）FIB制備TEM樣品。

將包殼管樣品放入FIB樣品室中，電子束用于檢查包殼的氧化層，避開由于樣品處理和制備引起的氧化層脫落或剝離的區(qū)域，并通過二次電子像選定取樣位置。調節(jié)加速電壓和電流，將試樣減薄至合適TEM觀察的厚度，其過程示意見圖4。具體過程如下。

① 目標區(qū)域的選擇和初步減薄

在離子減薄之前，在感興趣的目標區(qū)域上沉積一層鉑保護層，以保護樣品表面免受離子束損傷。隨后，使用較大電流的離子束，以1.5°左右的傾角交替在選定區(qū)域的兩側銑出臺階溝槽，以形成約0.5～0.7μm厚的薄箔。然后，在樣品的兩個末端銑出溝槽，以便于提取樣品。溝槽深度應大于氧化膜厚度3μm以上

②試樣的提出和焊接。

將樣品針尖移至薄箔樣品上方，在微操作器尖端和薄箔樣品一角施加鉑層點焊以固定樣品。然后，試樣相對于離子束傾斜，使用較小的束流進行切割，使得需要觀察的薄箔樣品與大塊試樣脫離，將其從大樣品的凹槽中提出，移動微型操作器至樣品支架上方。最后，用Pt點焊，將橫截面薄箔樣品下方兩端與樣品支架固定連接，使用離子束轟擊微操作器尖端，使其與薄箔樣品脫離。

② 樣品的的最終減薄和清潔。

使用低的離子束電流和小角度掠入射離子束，分幾個步驟逐步減低電壓和角度減薄到約100nm，以2.0keV至0.1 keV的電壓在較小的角度下銑削做清潔處理，減少Ga+對薄箔樣品的損傷，從FIB儀器中取出目標樣品，在光學顯微鏡下，將薄片放置在帶有薄碳膜的標準TEM網格上，以備后續(xù)的TEM表征測試。

3.3 熱室內力學性能測試樣品制備

利用數(shù)控銑床設備一次加工成型，該方案僅需一臺設備即可完成力學性能測試樣品的制備工作，操作簡便，僅需利用機械手進行熱室內樣品的裝載、取出等工作，其余操作可通過位于熱室外的遙控控制單元實現(xiàn)。將熱室外制備的相同尺寸樣品與熱室內力學樣品送至第三方檢測機構進行檢驗，獲得了包括力學拉伸數(shù)據(jù)、尺寸數(shù)據(jù)等，其結果與出廠數(shù)據(jù)一致，表明利用數(shù)控銑床銑床制備的模擬燃料棒包殼力學測試樣品滿足試驗要求。

4 結語

通過對熱室內樣品制備技術研究，突破熱室內樣品制備諸多限制，確定了燃料芯塊金相、微區(qū)γ掃描、RAMAN、SEM、EPMA樣品以及包殼XRD、TEM、力學測試樣品的制備方案和工藝流程，掌握了熱室內樣品制備技術，為放射性樣品制備和表征奠定基礎，對于我國乏燃料棒輻照后檢驗工作具有重要意義。

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