[發(fā)明專利]一種碳化硅復(fù)合材料增強(qiáng)鋯包殼管

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011625339.2
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112750538A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧永恒;馮海寧;單宏祎;郭洪;杜艷華;賀進(jìn)明;田廣豐;孟瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 中核北方核燃料元件有限公司
• 主分類號: G21C3/07
• 分類號: G21C3/07;G21C21/02
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 呂巖甲

本發(fā)明屬于新型核包殼材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅復(fù)合材料增強(qiáng)鋯包殼管。包括內(nèi)層鋯管、中間碳化硅界面層、外層SiC_f/SiC復(fù)合材料層。包殼管長度為3.8?4m。內(nèi)層鋯管內(nèi)徑為7.5±0.02mm、外徑為8.3±0.02mm。中間碳化硅界面層包覆在內(nèi)層鋯管外周，厚度為60?80μm。外層SiC_f/SiC復(fù)合材料層包覆在中間碳化硅界面層外周，外徑為9.5±0.02mm。充分發(fā)揮碳化硅和鋯兩種材料的優(yōu)勢，使其滿足新一代耐事故燃料包殼的要求，進(jìn)一步提高反應(yīng)堆事故條件下的安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型核包殼材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅復(fù)合材料增強(qiáng)鋯包殼管。

背景技術(shù)

目前，所有的商用輕水反應(yīng)堆燃料包殼都是以Zr為基體的合金。這一族材料經(jīng)過50多年的研究和應(yīng)用，核燃料的性能以及此類燃料包殼的可靠性均有大幅度的提升。然而，隨著²³⁵U富集度的進(jìn)一步增加，或者由于其它方面的變化使得燃料中裂變產(chǎn)物的量進(jìn)一步升高，這就要求研發(fā)具有更為優(yōu)良的抗輻照損傷和耐腐蝕性能的其它材料。同時(shí)，也要求此類材料在發(fā)生嚴(yán)重事故的條件下，其性能惡化的程度能夠進(jìn)一步降低。

相對于鋯合金材料，SiC_f/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于包殼材料具有以下方面的優(yōu)勢：(1)耐溫性好，作為包殼材料在核反應(yīng)堆環(huán)境中能長期在800℃環(huán)境下使用，短期可承受1200℃的高溫，提高了反應(yīng)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(shí)，燃料燃耗可以由60000MWD/tU提高到70000MWD/tU；(3)硬度高，可以有效減少由于冷卻劑中碎片和格柵導(dǎo)致的磨損，延長燃料棒使用壽命和反應(yīng)堆正常工作時(shí)間。正因?yàn)榫哂羞@些特點(diǎn)，SiC_f/SiC復(fù)合材料燃料包殼在核能系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前SiC_f/SiC復(fù)合材料還存在諸多的挑戰(zhàn)包括包殼徑向溫度梯度所引起的不同程度的體積膨脹、包殼管的脆性斷裂、熱沖擊斷裂和輻照腫脹等。其腐蝕過程中產(chǎn)生的氧化硅會溶解在冷卻劑中，目前的核電廠系統(tǒng)中缺乏該除雜裝置，但由于SiC的氧化速率較小，故而該問題相較于上述提到的其他問題并不突出。在工程應(yīng)用方面，SiC_f/SiC復(fù)合材料包殼管的制備加工以及連接密封等難題依然有待解決。這些需要經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)突破和工程驗(yàn)證，無法滿足當(dāng)前反應(yīng)堆條件對包殼材料的需求。

用于第四代反應(yīng)堆研發(fā)的某些包殼技術(shù)也可以用于第三代反應(yīng)堆，Zr/SiC復(fù)合材料包殼就是其中之一。為了加速包殼材料的發(fā)展，依舊使用鋯作為包殼管內(nèi)襯層，即使外部SiC陶瓷基體開裂，鋯層也能使包殼管保持完整和密封。核裂變產(chǎn)生的產(chǎn)物或重金屬反應(yīng)會與SiC內(nèi)層產(chǎn)生不良反應(yīng)，這會給技術(shù)應(yīng)用帶來一定風(fēng)險(xiǎn)，使用Zr內(nèi)層可以避免這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)鋯內(nèi)層的使用也為UO₂燃料提供了一個(gè)已知的化學(xué)環(huán)境。與此同時(shí)內(nèi)部使用鋯材料可以通過焊接的方式來進(jìn)行端塞連接。這一材料的應(yīng)用能夠滿足輕水反應(yīng)堆對更高安全性、更高性能以及更高經(jīng)濟(jì)性的要求，因此，Zr/SiC復(fù)合材料包殼的研發(fā)有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅復(fù)合材料增強(qiáng)鋯包殼管，充分發(fā)揮碳化硅和鋯兩種材料的優(yōu)勢，使其滿足新一代耐事故燃料包殼的要求，進(jìn)一步提高反應(yīng)堆事故條件下的安全性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種碳化硅復(fù)合材料增強(qiáng)鋯包殼管，包括內(nèi)層鋯管、中間碳化硅界面層、外層SiC_f/SiC復(fù)合材料層。

包殼管長度為3.8-4m。

內(nèi)層鋯管內(nèi)徑為7.5±0.02mm、外徑為8.3±0.02mm。

中間碳化硅界面層包覆在內(nèi)層鋯管外周，厚度為60-80μm。