[發明專利]一種多層包殼管及其制備方法

有效

• 申請號: 202110880370.9
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113571209B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 李曉強;衛沖;張淞彬;鄭策;彭標
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G21C3/07
• 分類號: G21C3/07;B05D7/24;B05D7/00;B05D5/00
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 高凌君

本發明提供了一種多層包殼管及其制備方法，解決了現有包殼管氣密性差的問題。該多層包殼管，包括金屬Mo內層、具有Mo梯度含量的中間層以及SiC_f/SiC復合材料外層；所述具有Mo梯度含量的中間層為多層結構，其包括至少兩層Mo?Si中間層、或至少兩層Mo?SiC中間層、或至少一層Mo?Si中間層和至少一層Mo?SiC中間層；各個中間層的Mo所占摩爾分數由內側向外側逐漸降低。

技術領域

本發明屬于包殼管結構技術領域，具體涉及一種多層包殼管及其制備方法。

背景技術

核能能量密度高(1千克鈾235裂變后釋放能量相當于2700噸煤燃燒釋放能量)且高效清潔，因此有著廣泛應用。在核電家族中，除為人們熟悉的大型核電站外，還有功率小于300兆瓦的微型反應堆。這種反應堆采用模塊化設計,具有功率小、建設周期短、布置靈活、適應性強、經濟成本低等特點，并能根據需要靈活提供電源或熱源，反應堆換料周期長達數年。尤其是當反應堆的體積縮小至一定程度，還可用大型車載或船載，以實現移動化，可以顯著降低用于基礎設施的投資，具備很強的實用價值。

在某些領域，微型反應堆是作為動力源的存在，可大幅降低常規油料運輸所產生的巨額費用，增強設施能源供應獨立性，并在遇挫后迅速恢復供電的能力。在民生領域，除了解決偏遠地區的供電問題,微型反應堆還具有許多其他工業用途，如制氫、供熱和海水淡化等作用，可謂一舉多得。

在反應堆的設計實施中，核燃料包殼材料的選取是其獲得成功應用中較為關鍵的一步。核燃料包殼管用于容納核燃料芯塊，并防止釋放的放射性裂變產物通過冷卻劑最終進入到外部環境中，微型反應堆的出現對核燃料包殼的性能提出了新的挑戰(如氣密性、高溫穩定性、高溫力學強度等)。

反應堆中最初使用的包殼管材料是鋯(Zr)基合金(諸如：鋯-錫合金、鋯-鈮合金、新鋯合金)，因其在高溫下強度高、抗腐蝕性能好、中子吸收界面小且與二氧化鈾有良好的相容性，然而在2011年的福島核事故中，Zr合金包殼管在高溫下與蒸汽發生反應，產生大量氫氣，最終導致氫氣爆炸。為了防止此類事故的發生，大量的科研人員致力于開發事故容錯燃料(ATF)體系，其重點是增強抗蒸汽氧化性。

到目前為止已經研究出許多先進的燃料-包殼體系，其中一個主要的觀念是使用碳化硅(SiC)基材料代替Zr合金作為燃料包殼，連續碳化硅纖維增韌碳化硅復合材料(SiC_f/SiC)以其較小的中子吸收截面、元素低活化性、良好的抗輻照損傷性能、優良的高溫化學惰性(抗高溫水蒸氣氧化，產氫率低)和優異的高溫力學性能已成為事故容錯燃料(ATF)包殼的理想候選材料。

文獻“Yutai Katoh,Takashi Nozawa,Lance L.Snead,Kazumi Ozawa,HiroyasuTanigawa.Stability of SiC and its composites at high neutron fluence[J].Journal of Nuclear Materials,2011,417(1-3).”研究表明高純度的結晶SiC在中子輻照下是一種非常穩定的材料，在輻照損傷為40dpa或更高時發生極小的腫脹和強度變化，此外，SiC在高溫下仍能維持其力學強度，相較于Zr合金，SiC與蒸汽的反應速率慢，中子吸收截面小，從而提高了水冷反應堆在失水(LOCA)和其他潛在事故條件下的安全性。

SiC基包殼的性能在很大程度上取決于所使用的工藝路線，特別是對于纖維增強復合材料層，高純度、耐輻射SiC_f/SiC復合材料通常采用化學氣相滲透(CVI)制備，CVI工藝能為核應用提供必要的純度，但制備出的包殼致密化程度較低，而為了防止包殼管內部的放射性物質泄漏和冷卻劑與燃料的相互接觸，要求核燃料包殼管具備極好的密封性，CVI工藝制備的包殼很難達到核結構應用所要求的低孔隙率條件(5％)。