[發明專利]一種耐事故燃料核包殼管及制備方法

在審

• 申請號: 201810851217.1
• 申請日: 2018-07-30
• 公開（公告）號: CN109020589A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 李曉強;秦海龍;劉傳歆;成來飛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/622;C04B41/88;C04B41/87;C04B41/90;G21C3/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種耐事故燃料核包殼管及制備方法，耐事故燃料核包殼管由連續SiC纖維增韌SiC陶瓷基復合材料和難熔金屬層根據設計需要交替疊合組成三明治多層結構。該多層結構是以連續SiC纖維增韌SiC陶瓷基復合材料為內管層，以難熔金屬層為中間管層，以及連續SiC纖維增韌SiC陶瓷基復合材料為外管層。在該多層結構中，連續SiC纖維增韌SiC陶瓷基復合材料層主要起到支撐承載作用，難熔金屬層主要起到密封防滲漏作用。本發明的耐事故燃料核包殼管可以實現在應力超出陶瓷基復合材料彈性變形范圍，裂紋已在復合材料中擴展時，保持核包殼管的氣密性。

技術領域

本發明涉及一種耐事故燃料核包殼管及制備方法，具體涉及一種多層SiC_f/SiC陶瓷基復合材料與難熔金屬相復合的核包殼管的制備方法，這種核包殼管主要用于第四代氣冷快中子核反應堆中核燃料棒的成型和防護。該方法制備的耐事故燃料核包殼管也可以用于其他核反應堆，比如壓水反應堆、沸水反應堆、鈉冷快中子反應堆。

背景技術

陶瓷基復合材料因其低密度、高比強、高比模、抗氧化、抗疲勞蠕變，以及對裂紋不敏感，不發生災難性損毀等方面的優異性能而備受關注。另外陶瓷基復合材料在中子輻照和高溫環境下仍然具有很好的機械性能、抗熱沖擊性能，尤其在失去冷卻劑后，其仍能保證包殼管結構的完整性，提高了耐事故能力。這使陶瓷基復合材料在核防護領域也有著極大的應用前景，現已成為核燃料元件和核反應堆控制棒包覆的理想候選材料。

然而，核用陶瓷基復合材料面臨著氣密性差的關鍵瓶頸問題。因此，這些材料不適合作為壓力容器或壓力管道使用，更不能作為核燃料包殼或換熱管。核燃料包覆材料是阻擋輻射產物擴散的第一道屏障，單純的陶瓷基復合材料并不適合作為核燃料包殼材料。

陶瓷基復合材料作為核包殼管氣密性差的問題是重點。目前，陶瓷基復合材料(SiC_f/SiC復合材料)的斷裂強度大約為300MPa，但是其彈性變形階段很短，彈性變形強度大約80MPa，彈性應變大約0.09％。當應力大于彈性強度時，陶瓷基復合材料進入基體微裂紋擴展斷裂階段，造成大量裂紋孔隙產生。這種斷裂方式可以使陶瓷基復合材料承擔更多的應力，但是在實際應用中核包殼材料所需的變形量大約在0.2％到0.5％，強度大約為100MPa，在極端條件下設計強度需達到200MPa。顯然，陶瓷基復合材料并不能滿足核包殼構件氣密性安全要求。

目前，國內外關于提高陶瓷基復合材料的氣密性做了一些工作。HolgerH.Streckert(Holger H.Streckert et al.,“Hermetic ceramic compositestructures”,US005681511A)在陶瓷基復合材料表面化學氣相沉積一層SiC致密涂層，能在1000℃溫度下成功阻止氦氣等氣體的滲漏。Feinroth(Feinroth et al.,“Multi-layeredceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclearand fossil power plants”,US 2006/0039524 A1)在兩層陶瓷基復合材料之間制備SiC涂層形成一種三明治結構，有效提高了核包殼管的氣密性。但是上述材料只適用于在其彈性變形范圍內使用，一旦受力大于其彈性強度，裂紋便會在基體中擴展，材料的氣密性變差，而從上文可知陶瓷基復合材料的彈性強度一般較小。另一方面，在核包殼管上制備均勻致密的SiC涂層是很困難的。

難熔金屬不僅可以在高溫下保持強度，而且具有良好的塑性，但難熔金屬不易與核燃料直接接觸，以免被侵蝕。所以本發明結合現有的工作，發明一種兩層陶瓷基復合材料中間夾著一層難熔金屬的三明治多層陶瓷基復合材料核燃料包殼管結構，陶瓷基復合材料在外保持機械強度并保護難熔金屬免受侵蝕，難熔金屬層在內保持構件的氣密性。相較于先前的發明，本發明可以實現在應力超出陶瓷基復合材料彈性變形范圍，裂紋已在復合材料中擴展時，仍能保持構件的氣密性。