[發明專利]核燃料包殼管及其制備方法

有效

• 申請號: 201710552537.2
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107686364B
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 周新貴;黎暢;殷劉彥;王洪磊;余金山
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/64;C04B41/87;G21C3/07;G21C21/00
• 代理公司: 43008 湖南兆弘專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 張鮮

本發明公開了一種核燃料包殼管及其制備方法，其管壁由內到外依次為第一纖維增強陶瓷基復合材料層、第二纖維增強陶瓷基復合材料層和陶瓷層，第一纖維增強陶瓷基復合材料層由第一纖維預制體和填充于第一纖維預制體孔隙內的第一陶瓷基體組成；第二纖維增強陶瓷基復合材料層由第二纖維預制體和填充于第二纖維預制體孔隙內的第二陶瓷基體組成；第一纖維預制體由浸有樹脂膠的纖維布卷繞成管后經固化?碳化而成，第二纖維預制體由浸有樹脂膠的多束纖維束編織且纏繞于纖維布卷繞管的圓周上后經固化?碳化而成。陶瓷層由化學氣相沉積工藝制備。該成型方法可批量成型細長纖維增強陶瓷基復合材料管狀構件、且長度不受限制、工藝可行性強、設備要求低。

技術領域

本發明屬于核燃料保護材料領域，尤其涉及一種核燃料包殼管及其制備方法。

背景技術

人類的生存和發展離不開能源，隨著社會生產力的發展，人類對能源的需求迅速增長。核能作為一種清潔、高效的能源，被認為是最終解決人類能源問題的主要途徑。根據核反應堆的運行方式，可以將核能分為聚變反應堆和裂變反應堆。就目前而言，聚變反應堆的仍處于概念設計與實驗驗證階段，而裂變堆已經成功取得了廣泛應用。裂變堆中，核燃料氧化鈾是盛裝在包殼管中，核燃料在包殼管中發生核反應從而釋放出熱量。包殼管外側為輕水冷卻介質，輕水冷卻介質通過循環帶走包殼管中的核反應釋放出的熱量，并最終轉化成電能。

包殼材料工作在高溫、高壓和輻照條件下，運行工況非常苛刻，要求材料具有小的中子吸收截面、高的導熱系數、強度高、韌性好、耐腐蝕、抗輻照、熱穩定性好等。核能的先進性、安全可靠性和經濟性與所用包殼材料的性能密切相關。鋯合金是目前第二代和三代核反應堆廣泛應用的包殼材料，但由于鋯合金硬度相對較低，易磨損，長期使用還會因吸氫反應而脆化，在450℃以上會發生相變，1093℃以上會與水發生鋯水反應。特別是嚴重事故工況下發生的鋯水反應會產生大量的氫氣，并在特定條件下發生爆燃或爆炸，2011 年3 月12日日本福島第一核電站發生的事故主要由于海嘯導致起冷卻作用的海水未進入堆芯，鋯合金燃料包殼管在高溫下與水發生鋯水反應，產生大量的氫氣，并引發氫爆。核電安全是核能發展的第一要素，人們一直希望找到一種能比鋯合金更為安全的核燃料包殼管，而SiC/SiC復合材料包殼管是可能的選擇之一，相關的研究成為近幾年材料研究的熱點。

相對于鋯合金材料，SiC/SiC復合材料應用于包殼材料具有以下方面的優勢：（1）耐溫性好，作為包殼材料在核反應堆環境中能長期在800℃環境下使用，短期可承受1200℃的高溫，提高了反應堆的安全性；（2）慢化吸收比佳，寄生熱中子吸收橫截面較鋯合金降低15% 以上，采用同樣的鈾235燃料（濃縮度5%）時，燃料燃耗可以由60000 MWD/tU 提高到70000 MWD/tU；（3） 硬度高，可以有效減少由于冷卻劑中碎片和格柵導致的磨損，延長燃料棒使用壽命和反應堆正常工作時間。正因為具有這些特點，SiC/SiC 復合材料燃料包殼在核能系統領域具有廣闊的應用前景。

裂變堆中，包殼管的尺寸要求為：長度3.8m，外徑8～10mm，壁厚≤1.0mm。如果采用SiC/SiC 復合材料替代現有的鋯合金用于核燃料包殼管，首先需要解決的就是SiC/SiC 復合材料包殼管的的成型和制備問題。由于SiC/SiC復合材料硬度高、塑性差，不能像鋯合金那樣采用拉拔工藝制備如此尺寸的SiC/SiC復合材料管狀構件，而且如此長度的SiC/SiC復合材料管狀構件也無法由SiC/SiC復合材料棒材加工成型。由此可見，制備能夠滿足尺寸要求的SiC/SiC復合材料核燃料包殼管難度較大。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種細長纖維增強陶瓷基復合材料基核燃料包殼管，還相應提供一種適于細長纖維增強陶瓷基復合材料管狀構件批量成型、長度不受限制、工藝可行性強、設備要求低的核燃料包殼管的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：