Hi-Coat

Gemeinsamer Bestandteil aller Brennelement-Designs für Hochtemperaturreaktoren sind die in der Abbildung dargestellten Coated Particles. Den einzelnen Schichten um den Brennstoffkern werden folgende Aufgaben zuteil:

• die innere poröse Buffer-Schicht aus Kohlenstoff dient als Speichervolumen zur Aufnahme von gasförmigen Spaltprodukten und zur Kompensation der während des Betriebes eintretenden Kernschwellung
• die dichte innere, pyrolytisch abgeschiedene Kohlenstoff-Schicht reduziert den Spannungs-eintrag in die darauffolgende SiC-Schicht
• die SiC-Schicht sichert die Dichtheit gegen das Austreten radioaktiver Spaltprodukte
• die dichte äußere, pyrolytisch abgeschiedene Kohlenstoff-Schicht dient als Bindeschicht für das die Coated Particles umgebende Matrixmaterial

Zur Erhöhung der Beständigkeit der Barriereeigenschaft des Schichtsystems unter extremen Bedin-gungen, wie sie in den VHTR (Very High Temperature Reactors) der vierten Generation gegeben sind, muss vor allem die Qualität der SiC-Schicht verbessert werden. Diese Schicht wird derzeit über eine Chemische Dampfabscheidung (CVD) generiert.

Forschungsinhalt des aktuellen Projektes ist es, eine unter VHTR Bedingungen für Spaltprodukte dichte Sperrschicht zu erzeugen. Diese grundlegenden Untersuchungen werden mit einem PLD (Pulsed Laser Deposition)- Verfahren durchgeführt. Es hat gegenüber dem CVD-Verfahren folgende Vorteile:

• Es können Schichten nahe der theoretischen Dichte erzeugt werden.
• Es können sehr reine und stöchiometrisch exakt definierte Schichtverbindungen erzeugt werden.
• Die Schichten können gezielt dotiert werden.

Mit einer komplett vorhandenen Versuchsanlage zum PLD sind die technischen Voraussetzungen erfüllt. Es werden sowohl auf planen Substraten als auch auf Kernels SiC-Schichten abgeschieden, deren Barriereeigenschaften hinsichtlich:

• Schichtdichte
• Schichtdicke
• Schichtstruktur

optimiert werden. In einem ersten Schritt werden die Schichten mit einem konfokalen 3-D-Laserscanning Mikroskop charakterisiert. Damit ist es möglich, Schichtwachstum, Schichtdicke und Schichttopographie zu untersuchen und so die grundlegende Verfahrensentwicklung zu begleiten.

Weiterführende Materialanalysen bezüglich der Zusammensetzung und (elektrischen) Eigen-schaften werden in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen realisiert. Hier stehen Analysetechniken wie REM mit EDX, XPS, AFM und Ellipsometrie zur Verfügung.

Die grundsätzliche Funktionalität der Schichten als Diffusionsbarriere gegen metallische Elemente soll über einseitiges Bedampfen mit Silber oder Palladium zur Erzeugung einer Potentialdifferenz, dem Tempern bei hohen Temperaturen und anschließender Untersuchung der Migration von Silberionen im Schichtsystem erfolgen.