放射性核素氚的物理半衰期为12.3 a，比活度为2.62 × 10⁸ Bq/μg。氚的原子核不稳定，通过β粒子衰变转变为稳定的氦同位素，其β射线能量很低，平均能量为5.7 keV，最大能量仅为18.6 keV。氚极易进入人体，被人体吸收后，在1～2 h相对均匀分布于体内所有含水的组织和器官中，β射线会照射内部器官产生辐射危害^[1-2]。因此，氚的防护尤为重要，需要对氚的渗透泄漏进行控制，由于其极强的渗透特性，降低氚渗透的最有效方法之一就是在涉氚物品上包裹一层阻氚涂层。

国内外对于阻氚涂层开展了多项研究，对阻氚涂层提出了基本的要求，首先是对于氚的低渗透率，涂层致密，可以有效降低氚的泄漏；第二是涂层制备的工艺尽可能的简单，与结构材料可以紧密结合，并且适应各种形状的结构容器。目前，常见的阻涂层按照基材进行分类，包括钛基涂层（TiN、TiC、TiC/TiN等）^[3]；氧化物涂层（Al₂O₃、Y₂O₃、CrO₃、Er₂O₃、SiO₂、ZrO₂等）^[4]；硅化物涂层（SiC、Si₃N₄、SiC/Si₃N₄等）^[5]；铝化物涂层（Fe-Al/Al₂O₃、AIN）^[6]及它们的复合材料。

涂层类型从多元化（非氧化物、氧化物及它们复合涂层等） 发展到如今以氧化物涂层为主且仍在不断地优化和更新涂层制备技术及其工艺。其中，Al₂O₃因渗透率远小于其他材料、高电阻率、耐高温、与锂铅相容性好等优点，是目前阻氚性能最好的涂层材料之一。考虑到涂层结合力、制备等因素，以 Fe-Al合金为过渡层，Al₂O₃膜作为外层的复合涂层 （Fe-Al/ Al₂O₃ 阻涂层如图1）体系，可解决热失配导致的易脱落问题^[7]。

氚作为氢的同位素，在金属中渗透、扩散方式与氢相同。气态氢原子具有最小的原子半径，在金属及合金中的扩散以间隙原子的形式迁移，渗透性很强，而且很容易被材料内部的缺陷所捕获。氚在衰变后产生的He⁻³具有饱和的电子结构，与结构材料极不相容，而且容易在金属晶格内部产生畸变和内应力，聚集成气泡，产生严重的氢脆现象，损害结构材料的使用寿命^[8-9]。

国际上一般采用氚渗透率减小因子（tritium permeation reduction factor, T-PRF）来评价涂层的阻氚性能，T-PRF是指氚在基体材料与在阻氚涂层材料中的渗透率之比，T-PRF越大，涂层的阻氚性能也就越好^[11]。

张桂凯在中国工程物理研究院科技年报发表文章对阻氚涂层阻滞氢渗透作用机理进行了阐述。该团队获得了Al₂O₃表面（中）氢的吸附、解离、侵入、存在形式和扩散等行为的详细微观机制，并得到红外光谱/正电子湮灭谱实验的验证。结合速率理论，从基础上提出了典型阻氚涂层工作环境下Al₂O₃阻滞氢渗透的作用机理，当氢渗透压力大于17 kPa时，氢原子围绕α-Al₂O₃表面第3层氧原子旋转阻滞α-Al₂O₃中的氢渗透；当压力小于1 kPa时，氢分子在α-Al₂O₃表面第2和第4原子层的铝原子之间位置上方的极性解离阻滞α-Al₂O₃中的氢渗透^[12]。

近年来伴随聚变技术发展研发了多种阻氚涂层，绝大部分涂层制备工艺要求高，阻氚性能高，但是针对一些活度浓度较低的氚产品或含氚固体废物的储存不需要过高的阻氚性能。本文采用一种较为方便的制备阻氚涂层的方法，并对其阻氚性能进行了验证，可以证明该涂层可应用在含氚固体废物储存等场景。为了获得热喷涂制备Al-Al₂O₃阻氚涂层的阻氚性能和结合力性能，制备了专门用于实验的样品片，分别开展了氚渗透实验和结合力检验。

1 材料与方法 1.1 氚渗透率实验方法

氚本身具有放射性，且难以获得，通常的实验采用氚的同位素氘进行代替性实验，并且已有相对成熟的经验，本实验同样采用氘气进行氚渗透率的实验。

渗透实验分别测试了厚度为3 mm的不锈钢基体样品片、0.4 mm和0.6 mm带有不同厚度阻氚涂层的样品片，考虑到样品圆片的直径远大于厚度，因此氘在金属中的扩散系数与浓度基本无关，所以可认为氘在本研究中的渗透为一维扩散。

渗透率公式为：

$ \varPhi =\frac{{J}_{\infty }d}{\mathrm{S}\left({P}_{1}^{\frac{1}{2}}-{P}_{2}^{\frac{1}{2}}\right)} $

公式中，Φ表示的是渗透率（mol·m⁻¹·s⁻¹·MPa^−1/2）；J表示的是稳态渗透的通量（mol·m⁻²·s⁻¹）；d是材料的厚度（m）；P₁为较高侧的压力（MPa）；P₂为较低压力（MPa）；S表示的是渗透的面积（m²）。根据公式可知，当P₁压力远远大于P₂压力时，P₂的压力可以忽略不计。

本实验采用四极杆质谱的方法对钢板的氘渗透率进行定量测试。采用vcr垫圈密封，实际氢渗透面积按照垫圈孔径计算d = 6.1 mm。检漏采用外喷氦的方式进行检漏。检漏在室温下进行，若质谱无法检测到氦信号，认为密封良好。原料气采用氘进行，可以有效降低本底。

上游端连接有氘气气瓶，可通过针阀在上游端通入确定含量的气体，并通过真空规进行压力值的监测。下游端配备有四极质谱仪对渗透样品的气体分子进行实时的检测。设备配备有标准漏孔，可实现渗透气体成分的定量标定。气体驱动渗透的温度可通过电阻加热炉进行控制，样品的实际温度由与样品接触的热电偶进行测量。

1.2 涂层结合力检验方法

涂层在基体材料的结合力参数非常重要，阻氚涂层用于含氚固体废物储存时会与固废接触，压缩或者运输过程中不可避免会对涂层造成一定的影响，涂层的脱落会直接影响阻氚性能，因此，本文对热喷涂制备的阻氚涂层进行了结合力的检测。

涂层结合力检测方法有很多，可以归纳为定性检测和定量检测。定性检测方法有锉刀法、弯折法、打磨法等，试验结果一般凭经验判断，无具体参数值；定量检测方法有拉伸法、压入法、划痕法等。有效地检测涂层结合力的方法应满足3个基本条件：涂层从基体分离，失效发生在界面上；力学模型简单，能得到与界面性能直接相关的力学参量；符合工况，即涂层在界面上的分离是在较长时间内完成的，而非一次性瞬间破坏^[13]。

本文对涂层进行了划痕实验，利用带有光滑圆锥形尖部的划针，在涂层表面垂直增加载荷，同时将涂层燕水平方向拖动，这样会在涂层表面产生划痕，当涂层被破坏时所加载的载荷就是涂层与基体的结合力。试验结合切向摩擦力的变化来判断涂层的破坏点，当划针划破涂层时，摩擦系数会发生突变，试验采用该点加载的载荷作为该涂层的结合力。

2 结　果 2.1 渗透率实验结果

采用不同厚度钢板样品，保持样品真空状态，加热到200℃进行除气，随后加热，测得的渗透通量和渗透率如表1所示：

实验结果表明，热喷涂技术制备Al-Al₂O₃阻氚涂层比基体材料氚的渗透率小一个数量级，具备一定的阻氚能力。

2.2 结合力检验结果

涂层结合力检验的样品与氚渗透实验样品一致，分别对0.2 mm涂层和0.4 mm涂层进行了结合力检验，测得结合力均在5-10 N范围内，可满足一般储存容器对涂层结合力的要求。

3 讨　论

目前阻氚涂层应用较多的是在核聚变领域，聚变堆中包层的作用就是用来导出等离子体热量去发电并产生新的氚燃料。与包层接触的钢基材料一般都有高的渗透率，氚很容易渗透进入结构材料，在后期处理过程中相关部件就要按照中等放射性的含氚废物来处理，有悖于放射性废物处理最小化原则，因此必须增加一层防氚渗透涂层来减少氚的渗透。

在众多阻氚涂层中，Al-Al₂O₃涂层具有高的阻氚渗透因子、良好的化学稳定性、较低的氢溶解度和优秀的自我修复能力，被广泛应用于核聚变领域^[14]。

常规的Al-Al₂O₃涂层的制备往往要进行涂层浆的制备、涂覆和热处理，也有研究表明可以采用爆炸涂覆工艺制备涂层，上述工艺在实验室制备涂层样品比较容易实现，但是对于一些结构件或者容器类产品则需要较大规模的设备进行热处理，需要对浆料温度进行严格控制，不便于涂层的制备。

另一方面，除了核聚变领域需要用到阻氚涂层，一些氚工厂或者含氚固体废物处置均需要阻氚涂层来防止氚的渗透。这些应用场景往往氚的活度浓度较低，温度也低于聚变堆领域，因此，对于阻氚涂层的性能也不要求太高，需要便捷的制备方法，所以本文提出的热喷涂技术制备Al-Al₂O₃涂层，在一定程度上解决了此类问题。

热喷涂技术采用3 mm铝丝作为原材料，304不锈钢基体表面进行打磨处理，在700～800℃将铝丝融化，采用喷枪将高温铝喷涂在基体表面，形成一层铝涂层，同时充入氧气，使表面氧化，再次进行喷涂-充氧操作，最终涂层达到200～260 μm，形成Al-Al₂O₃阻氚涂层，对该涂层样品进行了氚渗透率检测及涂层结合力检测，试验证明，该涂层在304不锈钢表面结合力良好，能够实现阻氚的基本性能。

采用热喷涂技术制备的Al-Al₂O₃涂层具备一定的阻氚性能，且结合力良好，针对一些对阻氚特性要求较低的场景，大大简化了涂层制备的工艺，目前国内已有采用该方案制备防氚渗透固体废物储存桶，在实施20T桶内压缩减容后涂层未脱落，外表面未检测到氚，有效的阻止了氚的渗透，该涂层具有 的推广应用价值。