CN103732388A

CN103732388A - 改进的由陶瓷基体复合材料制成的多层管、产生的核燃料包壳及相关生产方法

Info

Publication number: CN103732388A
Application number: CN201280038372.2A
Authority: CN
Inventors: 马克西姆·扎别戈; 塞德里克·绍德; 克里斯托弗·劳伦特; 菲利浦·珍德妮
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-04-16
Also published as: FR2978697A1; EP2739465B1; US20140153688A1; PL2739465T3; HUE037821T2; WO2013017621A1; FR2978697B1; JP2014526045A; KR20140048995A; EP2739465A1; RU2014107945A; US9548139B2; JP6140701B2

Abstract

本发明涉及一种多层管状部件（1），包括：形成金属管状主体（3）的金属层和覆盖所述金属管状主体的陶瓷基体复合材料的两个层，其中陶瓷基体复合材料的两个层中的一个层覆盖金属管状主体的内表面以形成内部管状主体（4），而陶瓷基体复合材料的两个层中的另一个层覆盖金属管状主体的外表面以形成外部管状主体（2），金属管状主体从而被夹入在内部管状主体和外部管状主体之间。金属管状主体是由金属或金属合金制成。而且，金属管状主体的平均厚度小于内部管状主体的平均厚度和外部管状主体的平均厚度。这种部件可具体用于生产核燃料包壳。

Description

改进的由陶瓷基体复合材料制成的多层管、产生的核燃料包壳及相关生产方法

技术领域

本发明涉及由陶瓷基体复合材料制成的部件的领域。具体地，本发明涉及一种用于核反应堆的燃料元件的领域，并且更具体地涉及一种改进的用于核燃料的包壳（cladding）、使用这种包壳的核反应堆燃料棒及其制造方法。

所述改进的燃料包壳可以，例如，用于生产GFR型（气冷快堆）的第四代反应堆中销或杆几何形状的燃料元件。

它也可以用于其它的核反应堆，诸如PWR（压水反应堆）、BWR（沸水反应堆）或SFR（钠冷快堆）。

背景技术

在众多领域上中，陶瓷基体复合材料（CMC）是特别受赞赏的，由于除了在用于核领域中应用的中子流和高温下的其性能良好之外，其密度低，特别在硬度、韧性、耐磨性以及抗机械和热冲击性中的机械性能卓越。“高温”是指在超出或高过该温度时通常材料（用于快谱反应堆（fast spectrum reactor）的钢材和用于热谱反应堆（thermal spectrum reactor）的锆合金）的热机械性能的不再令人满意的温度。这在正常操作情况下对应约400℃～600℃的温度在意外操作情况下对应约1000℃～1200℃的温度。例如，对于GFR，针对正常操作情况下的操作温度到达高达1000℃、高达1600℃，对于意外瞬变甚至达2000℃。

在此方面需要回顾的是，CMC材料是由通过沉积界面材料的纤维陶瓷结构加强的陶瓷基体形成的，界面材料的主要作用是使在机械应力下产生的裂缝在基体内偏转；基体和纤维可以由任何已知的含碳的陶瓷材料（在此上下文中碳被认为是陶瓷材料）制成，界面材料可能是热解炭。

在实例中，这些材料用于航空中生产制动盘或用于制造在高温下操作的反应堆；这些材料也给出在制造用于气体涡轮机的部件中的应用；最后，这些材料用于制造核反应堆的燃料元件和控制棒的包壳材料是本专利所关心的第一申请。

尽管它们有许多优点，但是CMC材料具有一个主要缺点：它们在电位操作的整个范围内不是密封的。因此，这些材料不适于应用作为特定用于核燃料包壳或热交换管的情况下的压力室或加压导管，因为它们在其整个操作电位的范围内没有提供对渗漏紧度（leak–tightness）的任何保证。例如，对于其包壳形成用于在操作时产生的放射性产物的第一安全层屏障的核反应堆的燃料元件，在清除拆解之前缺乏气密紧度（hermetic tightness）的风险是使CMC材料在理论上不适于这种用途的并且对核安全当局来说不可接受的主要缺点。

关于气密密封的要求（这是本专利的重大挑战），CMC材料的具体性能清楚地示于图1。图1示出了经过在示出应变（沿X轴）和应力（Y轴）之间的关系的图表中的单轴拉伸试验的SiC_f/SiC型的CMC材料的机械性能。此图证明以下事实：这里检查的SiC_f/SiC型的CMC材料在约300MPa的极限应力下具有很大的约0.9%的断裂伸长率，但是它具有大大降低的约0.04%的线性弹性和约80MPa的弹性极限。然而，超出其弹性极限，CMC材料由术语为“多个基体开裂”（翻译为发生许多裂纹）的线性弹性来表征。这个最特殊的机制使CMC材料完全到达用于很大的断裂伸长率百分比，但是留下所述材料保持超出此弹性极限的任何希望。

如果上述值（在图1的基础上）与核燃料包壳通常所需要的操作情况相比，例如，0.2～0.5%的伸长率和应力高于100MPa，在最极端的定径（sizing）情况下可能达到200MPa，它然后会变得很明显，仅CMC包壳不能够满足安全规则所严格规定的紧度的要求。

在关于方法的发展中文献报告中的一些研究使得它能够扩大陶瓷基体复合材料的气密密封的范围。

例如，文件[1]～[3]，其引用文献在本说明书末尾给出，描述了制造由涂有陶瓷层CMC材料制成的管制成的核燃料包壳（文件[1]和[3]），或由夹在内陶瓷层和外陶瓷层的CMC材料制成的管（[2]）。

然而，除了得到单片陶瓷层在核燃料包壳的通常长度（大于1米且可能达到4米）内特别困难的事实（文件[2]中有效地提到了制造随后必须进行组装的部分，这承载弱化最终组分的风险）之外，文件[1]～[3]中描述的包壳的气密密封仅在所形成的线性弹性范围内优选且特别是在所使用的陶瓷的弹性范围内（不幸地被大大降低了）有效。即，这意味着，如果裂纹如果在多层内且特别是在确保气密密封的单片陶瓷中开始，（在机械冲击或损伤超出其线性弹性强度之后），那么气密密封丢失且包壳变成可渗透的。因此，如果例如文件[2]的图11被考虑，那么应当注意的是，确保气密密封的内单片陶瓷的破损（failure）最迟发生约0.2%的伸长率（对应“应力-应变”曲线）。事实上，尽管其最终强度性能，文件[2]中提出的多层不能够满足对于核燃料元件的规格，这需要在清楚地扩大超过0.2%应变的整个操作范围内保证包壳的气密密封。

还已知的是，例如制造压力导管或压力室（除了特定领域的核燃料外）以使用由在内侧上排有金属层的CMC材料制成的结构（文件[4]和[5]）。然而，对于作为用于包壳的核燃料元件的应用，所述解决方案具有各种缺点。

在一般情况下，确保气密密封的金属层的内部定位使得它对燃料的侵蚀敏感，即，在约10微米的深度内，注入燃料的周围产生的具有高动能的裂变产物，并用燃料和/或裂变产物经由热化学反应腐蚀金属层。

更具体地，对于具有加压冷却（在GFR和BWR中约70巴，而在PWR中约155巴）的核反应堆的情况，双层包壳（确保外部机械强度的CMC层和确保内部气密密封的金属层）承载了内金属层的塌陷的危险，这可能是由CMC层的气密密封的损耗所引起的，通过CMC层的多开裂（multi–cracking），这将使得冷却剂的外压（在理论上，至少在辐射开始时，高于燃料元件填充气体的内压）直接施加在内金属层上产生优选经由蠕变型的机制导致其过度变形（在核燃料领域中被称为“蠕变向下”（“creep–down”），其中，蠕变的开始与高温和中子辐射相关联）。

因此，对核燃料的此解决方案的应用（据我们所知从来还未实现）将需要使用大厚度的金属层，这将极大地限制了金属材料的选择（考虑到耐火金属的中子吸收）

根据上述情况，本发明的目的是至少克服上述涉及现有技术的实施方式部分的缺点。具体地，本发明人已经将自己的目标设定为设计由CMC材料制成的管状部件，该管状部件与现有技术的管状部件相比已具有进一步改进的气密密封，此部件能够被用作核燃料的包壳。更具体地，本发明人寻求扩大由CMC材料制成的管状部件的气密密封的范围超过上述材料的弹性极限，优选高达上述CMC材料的屈服点。

发明内容

此目的是通过本发明来实现的，本发明首先提出了包括形成金属管状主体的金属层和覆盖金属管状主体的由陶瓷基体复合材料制成的两个层，其特征在于，由陶瓷基体复合材料制成的两个层中的一个层涂覆金属管状主体的内表面以形成内部管状主体，而由陶瓷基体复合材料制成的两个层中的另一个层涂覆金属管状主体的外表面以形成外部管状主体，因此金属管状主体被夹在内部管状主体和外部管状主体之间，金属管状主体的平均厚度窄于内部管状主体的平均厚度和外部管状主体的平均厚度。

金属管状主体可以由金属或金属合金制成。

在上述和其余部分中被指明的是，陶瓷基体质复合材料是具有纤维加强件的材料。

多层管状部件的横截面可以是圆形、椭圆形、六边形、正方形...，但圆形的横截面是优选的。

指明的是，内部管状主体和外部管状主体不一定是由同一“材料”制成的。在这方面，要重要注意的是，由于内部管状主体和外部管状主体是CMC（因此是“结构”（即，材料、几何形状和工序的组合）而非“材料”），如果说内部管状主体和外部管状主体是由同一材料制成的，这意味着它们按照相同的方法，用相同类型的纤维（相同的化学组成，相同的直径），涂有相同的界面（相同的化学组成，相同的厚度，相同的涂覆方法），以相似的方式交织以形成加强件（reinforcement）（2D，3D编织，纤维缠绕...）并用相同的基体（相同的化学组成，相同的制备方法）来得到。因此，相反地，由相同的纤维并由相同的基体形成的，但其预制体的产生不同（例如，一个通过缠绕纤维而另一个通过2D编织纤维）的两个CMC材料将被认为是两种不同的材料。

优选地，金属管状主体具有的平均厚度为多层管状部件的平均厚度的5%～20%。

根据本发明的多层管状部件的气密密封可以经受由高温决定的应力；因此，能够保持由高温决定的其气密密封，金属管状主体的构成材料的选择标准是：

与这些高温的兼容性（熔体余量，无同素异形变化，保持的令人满意的机械性能）；和

与内部管状主体和外部管状主体的构成CMC材料的热化学兼容性。

关于内部管状主体和外部管状主体的构成材料的选择标准，这些选择标准与用于金属管状主体所选择的那些标准相同，其中，增加与用于接触内部管状主体和外部管状主体的介质（液体或固体）的热化学兼容性的标准。

因此，优选地，金属管状主体是由选自铌和铌合金、钽及钽合金、钨和钨合金、钛和钛合金中的材料制成。可以使用Nb–1Zr或Nb–1Zr–0,1C作为铌合金的实例；可以使用W–5Re作为钨合金。在现实中，金属材料的选择也是由对管状部件以承受其制备情况的需要所决定的。由下可知，本发明提出的制造方法要求所选择的金属材料必须能够承受用于制备外部CMC的情况（为施加到所述金属层上所设计的），外部CMC的制造情况可能达到例如1000℃。

内部管状主体和外部管状主体优选由C_f/C、C_f/SiC或SiC_f/SiC复合材料制成。

如前所述，CMC材料仅在很小的范围内具有气密密封，其对应于所考虑的CMC材料的线性弹性范围，因为超出此弹性极限它们会经历多开裂（multiplecracking）。根据本发明的多层管状部件的层的特定布置使得该部件的气密密封保持高达CMC材料的断点而不是仅仅在其弹性范围内。

因此，如果SiC_f/SiC复合材料例如用于内部管状主体和外部管状主体，参照图1，能够保持气密密封高达SiC_f/SiC复合材料的终极伸长率极限（ultimateelongation limit），即为在约300MPa的极限应力下约0.9%（本发明能够达到的气密密封的范围为阴影线）。

即使该部件的内表面和外表面之间存在压力差，且产生的机械载荷引起内部主体和外部主体的一个或两个的多开裂，本发明的多层管状部件也能够确保两种介质（液体或固体）（一种位于该部件的外侧而另一种位于该部件的内侧）的密封分离。如果内部管状主体和外部管状主体是开裂的，那么它们失去其气密密封但保持其机械强度。因此，它们能够继续保持金属管状主体的机械完整性，并从而维持多层管状零件其整体的机械完整性，然后该部件的气密密封取决于金属管状主体。

指明的是，CMC材料的机械完整性是指没有这种材料的破裂。

本发明的另一主题是具有封闭室的管状结构。

此结构首先包括如上述所定义的具有一个或两个开口端的多层管状部件；其次包括至少一个用于每个开口端的盖，每个盖布置于开口端，以便完全闭合所述开口端；每个盖包括由金属或金属合金制成的内层，以用于被固定至多层管状部件的金属管状主体，以及可选的附加层，所述可选的附加层由陶瓷基体复合材料制成，以用于被固定至多层管状部件的外部管状主体，该结构的封闭室由多层管状部件的内壁和每个盖的内壁界定。

优选地，多层管状部件在每个开口端处包括环形区域，在所述环形区域中所述金属管状主体没有被所述外部管状主体覆盖，并且其中，每个所述盖由连接到侧边的底部形成，所述侧边适配于覆盖所述环形区域。

有利地，该结构是能够容纳核燃料和由所述核燃料在辐射下所释放的裂变气体的核燃料包壳。在这种情况下，金属管状主体优选具有50～200微米的平均厚度。

对于核燃料元件的包壳，金属管状主体的构成材料的选择标准是：

与辐射的兼容性（由高辐射剂量（在热谱中高于50dpa（位移每原子）且在快谱中100dpa）决定的小的中子俘获截面和保持的令人满意的机械性能（即，保证没有关于反应堆定径的系统故障））；

与高温的兼容性（熔体余量，无同素异形变化，保持的令人满意的机械性能）；

与内部管状主体和外部管状主体的构成CMC材料的热化学兼容性；

允许经由在开口端连接盖来得到气密密封的焊接性。

内部管状主体和外部管状主体的构成材料的选择标准在与高温和辐射的兼容性方面上与金属管状主体相同，同时，反应中的燃料和裂变产物对内部管状主体的要求以及冷却剂及其杂质对外部管状主体的要求扩大了热化学兼容性的标准。

因此，上文引用的用于多层管状部件的金属管状主体的优选材料（即，铌和铌合金、钽和钽合金、钨和钨合金以及钛和钛合金）和上文引用的用于内部管状主体和外部管状主体的优选材料（即，C/C、C/SiC或SiC/SiC复合材料）是完全合适的。

本发明的另一主题是容纳封装（house）在如上文所定义的管状结构的封闭室中的核燃料的核燃料元件。核燃料可以是核燃料芯块形式（氧化物、碳化物、氮化物形式的铀和/或钚和/或钍...）；核燃料元件可以是杆或销。

本发明还涉及一种用于制造如上文所定义的多层管状部件的方法，包括以下连续步骤：

a）提供陶瓷基体复合材料的管状主体以形成内部管状主体；

b）在内部管状主体上形成金属管状主体；

c）通过实施以下步骤来在金属管状主体上形成外部管状主体：

在金属管状主体的外表面上制备连续纤维的纤维预制体，

施加处理以通过由所述预制体形成基体来引起预制体致密化，所述处理在低于预制体的退化温度（degradation temperature）、低于金属管状主体的退化温度且低于内部管状主体的退化温度的温度下进行。

“退化温度”是指在该温度上或高于该温度时材料显示出与预期用途中其使用的规则不兼容的热机械性能的温度。在极端情况下，它是熔融温度，但有效的退化温度很可能是较低的：这取决于在材料之间的反应开始时的热化学环境情况。因此，对于核燃料包壳，必须考虑的是，燃料和裂变产物的共晶的形成，或特别是在意外情况下（其中，温度上升（例如超过1000℃）热交换流体可能诱发的分离反应，以及在正常情况下缺乏的物质的可能贡献（空气、水或氮吸入，由于例如反应堆的初级电路的断开（break））可能激活电位惩罚性热化学反应（potentially penalising thermochemical reaction）（例如在高温下的氧化或氢化）。

为了得到如在步骤a）所示的内部管状主体，可以使用市售的预制管状主体。也可以选择制作相同的预制管状主体。在这种情况下，上述方法的步骤a）可以包括以下连续步骤：

在圆柱形支撑元件上制备连续纤维的纤维预制体；

施加处理以通过在预制体中形成基体来引起所述预制体的固结，所述处理在低于预制体的退化温度且低于支撑元件的退化温度的温度下进行；

通过化学侵蚀所述支撑元件的材料与固结的所述预制体的接触表面来将所述支撑元件从固结的预制体去除；

在低于固结的预制体的退化温度的温度下使固结的预制体致密化。

可通过在高温下的炉子中进行CVI致密化（即由纤维预制体制成的陶瓷基体的前体气体的浸渗）来得到固结，还有致密化。在温度的影响下并在与纤维预制体接触下，前体气体分解并产生填充孔隙的碳或陶瓷化合物（碳化硅或其它）。

致密化和/或固结也可以通过使用PIP型的方法来获得，即，用待形成的内部管状主体的陶瓷基体的前体聚合物溶液进行浸渍，随后在高温下热分解前体聚合物。

有两种不同的方式来形成内部管状主体上的金属管状主体。

根据第一变型，步骤b）包括在内部管状主体的外表面上气相沉积金属或金属合金的层。

根据第二变型，步骤b）包括以下连续步骤：

将内部管状主体插入到金属或金属合金管中；

将该金属管镀覆在内部管状主体的外表面上；

可选地对如此形成的部件退火。

通过使用本领域技术人员已知的技术，例如冷轧技术（优选HPTR轧制）、热轧、拉丝或挤压，可以制造金属管状主体。冷轧技术具有适于众多的金属和合金的优点。

通过使用本领域技术人员已知的技术，例如热拉伸或冷拉伸或磁脉冲，可以进行镀覆。

此制造方法还可以包括，在步骤a）和步骤b）之间，内部管状主体的表面的表面处理步骤，以降低内部管状主体的表面的粗糙度。这可能需要使用“无心磨削”技术来对复合材料管的外表面进行金刚石磨削。

还可能的是，在步骤a）和步骤b）之间以及在步骤b）和步骤c）之间，进行沉积步骤以沉积由确保与两个相邻主体之间的膨胀差异的热机械兼容性所选择的材料制成的缓冲层。

本发明还涉及一种用于制造如上所述的管状结构的方法。此管状结构的制造方法包括依照上述多层管状部件的制造方法来制造多层管状部件，和通过将盖放置在每个开口端上来闭合所述部件的开口端以及将所述盖固定在金属管状主体上，每个盖包括由金属或金属合金制成的内层和可选的由陶瓷基体复合材料制成的附加层。

所述方法例如可以包括形成多层管状部件以使多层管状部件在多层管状部件的每个开口端处包括环形区域，在该环形区域中金属管状主体没有被外部管状主体覆盖，当将盖固定在对应所述环形区域的开口端上时，每个环形区域被盖的金属内层完全覆盖。

在步骤c），此环形区域可通过形成长度比金属管状主体的长度更短的外部管状主体来获得，它也可以通过去除形成外部管状主体的由陶瓷基体复合材料制成的层的一部分以具有使金属层在金属管状主体的开口端处暴露的环形部分来获得。一旦获得了此环形区域，就能够将盖固定到金属层的暴露部分；如果盖包括由CMC制成的外层，就使用本领域技术人员已知的方法（例如钎焊）以将盖的CMC层固定到该部件的CMC外层。

根据本发明的管状部件的层的布置和特殊性质赋予其许多优点。

首先，通过将金属层（充当气密密封层）布置在两个CMC层之间，这相当于维持两个机械加强件之间的气密密封层，考虑到其刚性，保护该层免受首先通过管状部件中含有的产物（例如，在反应堆中，在辐射下由它所释放的核燃料和裂变气体）且其次通过位于管状部件外侧的产物（例如，可选加压的冷却剂）所施加的热机械应力，从而提供免受可能导致气密密封层的劣化的过度变形的任何风险。

考虑到具体的制造方法，金属层承受了复合材料层的几何应力，因为它与复合材料层相比具有小的厚度，它在最终部件中的机械强度上仅占非常有限的部分。在使用情况下，载荷主要是由较大厚度的复合材料层承担。如图1所示，此制造方法允许部件经受超过单独使用的复合材料弹性极限的应力：因此复合材料层可能开裂而不会使多层管状部件失去其气密密封性能。

此外，用于两个CMC层的相同材料的可选的但优选的选择是指可以保证它们不在它们包围的金属层的两侧上引起主要变形差异。绝不能忘记的是，金属层与两个CMC层相比是薄的，并因此几乎没有抗性。

此外，由于金属层与其周围的CMC层相比是薄的，并考虑到其非常良好的导热性，其两侧之间温度差是小的。

在管状部件用作核燃料包壳的具体情况中，由于气密密封层（金属层）被布置在两个CMC层之间，气密密封层被保护免受燃料和裂变产物的热化学侵蚀，对该裂变产物气密密封层是“隔绝的”。有效地，没有直接接触，除了裂变产物可能迁移通过CMC内层，该迁移自然地受CMC内层的厚度限制并受其受控的开裂控制。可能还通过在CMC内层上布置保护层来包护气密密封层；然后CMC层不直接与燃料接触。该保护层是本领域技术人员已知的“固体多孔接合”型的层。此“固体多孔接合”型的层可以例如具有纤维结构或蜂窝结构，该纤维结构或蜂窝结构由C和/或SiC制成，并且具有高孔隙率，以允许经由燃料的体积膨胀的坍塌来进行容纳而没有任何机械载荷施加到包壳，促进从燃料到包壳的热传递以及运载所释放的裂解气体到位于燃料元件的轴线端处的气体增压室（plenum）。依靠此特定布置，气密密封层被保护免受燃料的周围产生的裂解产物所引起的物理侵蚀，其反冲能量产生由CMC内层甚至由可选的保护层吸收的损害。因此，金属层满足了含有由核燃料的辐射产生的放射性产物（氧化物、碳化物、氮化物形式的铀和/或钚和/或钍...，可能含有少量锕系元素，诸如镅、镎、锔...）所特别需要的气密密封功能。

由于气密密封层被布置在两个CMC层之间，所以它也被保护免受冷却剂及其杂质的热化学侵蚀，对该杂质气密密封层是“隔绝的”。没有直接接触，除了杂质可能迁移通过CMC外层，该迁移自然地受CMC外层的厚度限制并受其受控的开裂限制。

最后，作为例子提出的是，与提供有内金属层的包壳相比，在其端处闭合的包壳是便利的，因为它能够在此金属层和闭合机构（闭合盖和筛盖）之间进行常规的焊接操作。

总之，本发明提出的多层部件的原始设计通过以下过程允许确保气密密封功能直到拆除：

经由形成用以保障该部件（包壳）的机械强度免受通常操作应力的尺寸的CMC层在薄金属层的两侧上提供的加强件来确保薄金属层的机械完整性；

经由布置在薄金属层的两侧上的CMC层所提供的保护来确保薄金属层的物理化学完整性免受（是由燃料及其裂解产物造成的且也是由冷却剂及其杂质造成的）热化学侵蚀，并免受物理侵蚀（是由在燃料的外围上产生的裂解碎片的反冲能量造成的损害）；

促进在部件的开口端处部件的气密密封。

在阅读作为非限制性实例的下面的描述连同所附的图2、图3a和3b后，本发明将会被更好地理解并且其它优点和方面将变得明显。

附图说明

图1（前面已经提到过）示出了经受过单轴拉伸应力的2D编织管状SiC_f/SiC复合材料的性能，应变沿X轴所示而应力沿Y轴所示。此牵引曲线证明了弹性区域（应力和应变之间的比例）向上扩大至约80MPa而应变对应0.04%的伸长率，弹性区域限定了可以设想复合材料的气密密封的通常操作范围：超过这些值时发生引起密封性损失的基体的多开裂。图1还证明了对于应力为约300MPa、伸长率为约0.9%，复合材料的屈服特性。最后，图1示出了复合材料作为核燃料包壳的机械应用的通常范围，应力可能达到约200MPa而应变为约0.5%。由于在任何定径的情况下核燃料元件的包壳必须保持其气密密封和机械完整性，性能示于图1中的材料满足机械完整性的要求（即没有包壳的破裂或过度变形）但仅满足在其比应用范围更受限制的弹性范围内的气密密封的要求。本发明的目的是扩大由陶瓷基体复合材料（具体地，SiC_f/SiC）制成的核燃料包壳的气密密封的范围，超过此类型的对象的机械应用的范围：三个区域（可取得区域/应用区域/目标区域）被示于使用阴影线系统的图中。

图2示意性地示出了根据本发明的多层管状部件的轴向剖视图。

图3a和3b分别给出了通过将核燃料放置在根据本发明的多层管状结构内所得到的，根据本发明的核燃料包壳的轴向剖视图和纵向剖视图。

应当注意的是，在图2、图3a和3b中，不同的管状主体的厚度不是按照比例绘制。为更好地观察金属管状主体，其厚度被证明是可与内部管状主体和外部管状主体的厚度（现实中是更厚的）相当的。

具体实施方式

参考图2，本发明的管状部件1具有形成外部管状主体2的由CMC材料制成的外层，以覆盖金属管状主体3，它本身上覆盖由CMC材料制成的内层以形成内部管状主体4。

优选地，此管状部件可用于形成核燃料包壳10，该核燃料包壳10拟用于容纳核燃料以形成燃料元件100。

在这种情况下，如图3a所示，核燃料被放置在管状部件1中。在内部管状主体4和核燃料5之间所示的空间可对应气体介质或对应多孔固体界面接合部，其功能具体为：

通过坍塌容纳燃料的体积膨胀而没有任何机械载荷施加到包壳上；

促进从燃料到包壳的热传递；

运载所释放的裂解气到位于燃料元件的轴向端处气体增压室。

本发明的多层管状部件由管状主体或管形成，因此多层管状部件可具有两个开口端或一个开口端（另一端是封闭端）。

为获得核燃料包壳10，核燃料5必须被容纳在密封的包壳内，并因此管状部件1的开口端必须是密封的。

如图3b所示，本发明提出的闭合该管状部件1的开口端的一种方式是在开口端附近提供环形区域，在该环形区域中金属管状主体没有被外部管状主体覆盖：因此金属层可在管状部件的开口端的周围获得。此区域可通过去除形成外部管状主体2的外层的一部分而获得。那么然后需要的是将第一金属盖6放置在管状部件1的两个开口端上，以覆盖环形区域中的金属管状主体的金属层并闭合该金属管状主体。此闭合可以通过在第一盖6的金属壁和环形区域之间形成焊接体8将该第一盖6固定在环形区域而获得。由CMC材料制成的第二盖7然后可以被放置在第一盖上以闭合由CMC材料制成的外部管状主体2。也可以使用由两个其上沉积有由CMC材料制成的层的内金属层组成的单一盖。

第二盖是可选的，如果第一盖（金属盖）满足用于密封管状部件的所有约束，特别是耐受本领域技术人员所熟知的底部效应。

优选地，将盖安装并固定到管状部件，以便首先在金属管状主体3的金属层和第一盖6（或与盖的内金属部件，如果仅有一个盖）之间并且其次在外部管状主体2和第二盖7（或与盖的由CMC材料制成的外部件，如果仅有一个盖）之间有连续的接合。上述连续的接合可以经由例如焊接（如果接合是在两种金属之间）或钎焊（如果接合是在CMC材料之间）而获得。

应当注意的是，概要地示于在图2a和2b中的核燃料包壳10以处于冷态下和在反应堆内辐射开始时示出，因此在内主体4和核燃料5之间存在空间。

核燃料5为燃料芯块形式，其堆叠在燃料包壳10内部，整体形成燃料元件100。

应当指出的是，核燃料5和第一盖6之间的轴向空间被用于燃料芯块的柱的轴向定位装置（未示出）（通常包括弹簧、间隔件和/或楔的装置）占据。

管状部件的外部管状主体和内部管状主体的CMC材料可以是陶瓷基体复合材料，例如，如文件[6]中所提及的SiC_f/SiC、SiC_f/TiC、SiC_f/ZrC或SiC_f/Ti₃SiC₂型的陶瓷基体复合材料。

气密密封层（hermetic sealing layer）是由金属或金属合金制成的：铌及铌合金，钽及钽合金，钨及钨合金，钛及钛合金；例如，Nb–1Zr、Nb–1Zr–0,1C、Ta,W–5Re。应当注意的是，为了保证物件（item）的完整性与性能，必须在应用未来的管状部件的整个温度范围内并且在制造CMC层的整个温度范围内进行验证金属或合金与所用的CMC材料的化学兼容性。

多层管状部件的各个不同层的厚度值优选在以下范围内：

CMC内层（内部管状主体）：0.2～0.5mm；

金属气密密封层（金属管状层）：50～200μm；

CMC外层（外部管状主体）：0.3～1mm，

然而，选择CMC内层和CMC外层的厚度，以使它们大于气密密封层的厚度，优选为气密密封层的3倍或以上。寻求使气密密封层的厚度和多层管状部件的总厚度最小化以优化中子。

本发明的多层管状部件的优点在于：它使用大部分陶瓷基体复合材料相代替且代替完全的金属部件。这里，金属层的目的仅是保证整个部件的气密密封性。对于许多设想的应用（例如在高温下操作的压力室），考虑到在高温下金属的密度和/或弱的机械强度和/或考虑到用于核应用的金属的中子俘获截面，不建议使用金属。因此，有必要限制金属层的厚度到严格极小值。

根据本发明的多层部件的制造可以被分解成几个步骤，即：

1）制造由CMC材料制成的内部管状主体；

2）制备此内部管状主体的外表面（此步骤是可选的，但是优选的）；

3）制造金属管状主体（窄厚度的气密密封管）；

4）将金属管状主体镀覆（或使用本领域技术人员已知的任何其它沉积技术）在内部管状主体上；

5）制备如此得到的金属管状主体的外表面（此步骤是可选的，但是优选的）；

6）直接在步骤5中所得到的金属管状主体上制作外部管状主体的纤维预制体，随后使其致密化，且最后可选的其最终涂覆（此涂覆是可选的，但是优选的））从而得到多层部件。

应当注意的是，使用现成的管代替制造内部管状主体和金属管状主体也是可以的。

制造上述部件的第一步骤是制备用于形成由CMC材料制成的内部管状主体的管。这样做时，纤维加强件形成在圆柱形芯棒周围以适配待制备的复合材料的类型。

对于具有加强件和碳或碳化硅型的基体的复合材料，优选使用由石英玻璃制成的芯棒，以使芯棒能够在过程结束时仅通过化学溶解而被容易地去除。此类型的芯棒比常规使用的由石墨制成的芯棒更容易获取良好的内部管内表面并符合（heed）尺寸和公差（尤其是对核燃料元件的包壳的最重要的要求）。

为了使用氧化物相制造陶瓷基体复合材料，芯棒的类型必须适应于随后的致密化过程。

加强件的纤维构造的成型可以通过使用从适合于具有旋转轴的几何部件的纺织工业衍生的技术之一来获得，例如，2D编织或3D联锁。

按照用于内部管所选择的厚度进行选择加强件的厚度（编织层或缠绕层的数量）。

一旦完成了在芯棒上形成加强件，该加强件就是致密的。为了这个目的，可以使用本领域技术人员熟知的化学气相渗透法或CVI，尽管也可以使用其它方法，诸如，烧结、聚合物浸渗方法或PIP、液态或混合途径方法。

当完成增强件的致密化时，将用作加强件的支撑体的芯棒去除。

第二个步骤（可选的，但优选的）用于制备由此得到的内部复合材料管的外表面，即本质粗糙且有磨损的，从而获得具有最大RMS粗糙度为1～2μm的表面以实现将用作气密密封层的未来的金属管最佳地镀覆在内部复合材料管上。

可对复合材料管的外表面进行机加工。经验表明，通过使用“无心磨削”技术进行金刚石磨削复合材料管的外表面给出良好的结果：与未进行任何制备的50～100μm相比，对于经过这样磨削的表面可以获得约1μm的平均表面粗糙度值。

能够使用（recourse）化学或物理气相沉积（CVD或PVD）将具有几百纳米厚度的层沉积在所述内部复合材料管的外表面上，或沉积通过液体途径所得到的陶瓷涂层。

取决于所选择的所述层的材料，在该过程的以下步骤中，此层也可以具有容纳施加于外表面的CMC复合材料管和金属层之间的变形差异的目的。例如，对于由SiC_f/SiC制成的复合材料管，能够使用热解碳类的材料以形成此层。

在第三步骤中，制备金属管，该金属管将被用作气密密封层以形成多层部件的金属管状主体。金属类型的选择对预期的应用是非常重要的并且将取决于用于内部管和外部管的复合材料的类型和使用情况。特别是，金属相位必须被选择为与复合材料的陶瓷相兼容，不论依照所选择的致密化方法是在最终部件的整个操作温度范围内或还是在复合材料的整个制造温度范围内。

如果复合材料例如是C_f/C、C_f/SiC或SiC_f/SiC，那么可能的致密化方法需要实施温度接近1000℃。在这种情况下，因此有必要仅选择那些在1000℃下与碳和碳化硅相化学兼容性良好的金属。所推荐的金属不仅有铌及铌合金（Nb–1Zr，Nb–1Zr–0,1C），还有钽及钽合金，其次是钨或钛。

明显地，如果考虑不同的陶瓷相，那么其它合金可能更适合。

为将金属管的厚度限制到严格极小值，所选择使用用于形成金属管至所需尺寸的技术，该技术允许得到至多0.1mm，甚至更小的最小厚度。例如使用冷轧技术是可能的，此技术具有适应众多金属和合金的优点。在这里在本发明人使用了HPTP轧制台（rolling bench），但是其它冷轧台或热轧台也可以使用。也可以使用拉伸技术或挤出技术。

对于金属管的尺寸，内径被预定为等于磨削后复合材料内部管的外径，对此增加了间隙，以便内部复合材料管能够被插入金属管中，然而此间隙尽可能地小以促进下面所描述的镀覆步骤。对于所进行的测试，使用约0.1mm的直径间隙（diametric clearance）。应回顾的是，轧制对难以加工的金属或合金有效果。此加工的主要结果是提高材料的硬度并限制其最终变形。为使金属或合金的属性恢复至接近初始值，优选的是在轧制之后特定对每种材料进行退火。

以下步骤实施将金属管镀覆在内部复合材料管上。此操作的目的是为了保证这两个元件之间的紧密接触。此镀覆可以通过使用几种技术来获得。例如，可以使用将金属管受控的拉伸至内部复合材料管上。为了这个目的，内部复合材料管被插入可能由所提供的间隙制成的金属管中；然后使金属管机械地经受拉伸应力，使得它缩回到内部复合材料管的壁上（泊松效应）。

可以设想其它镀覆技术，诸如热拉或磁脉冲，磁脉冲使用了高强度的磁场以使金属管镀覆在非磁性的内部复合材料管上。

也可以通过使用化学气相或物理气相沉积技术（CVD或PVD）来取代金属管的制造步骤和镀覆步骤，以便将金属层直接沉积在内部复合材料管上。

在可选的但优选的第五步骤中，一旦形成的双层管能够可选地经历磨削以减低其外金属表面上的粗糙度，或气相沉积如前所述的用于内部复合材料管的附加层。

最后步骤由制造外部复合材料管组成。该过程类似于制造内复合材料层所使用的过程。使用如前所述的相同的技术首先使纤维加强件成型（纤维缠绕、2D编织或3D联锁），随后进行致密化。对于此制造，与需要使用临时支撑芯棒的第一步骤相反，在这里将外部复合材料管直接在所制备的复合材料/金属双层管上成型。

例如，如图2所示，这然后给出了被气密密封直至屈服点的多层陶瓷基体复合材料部件。

可选地，如果需要最终部件应在其外表面上具有最小粗糙度，那么可通过使用无心磨削来进行磨削此外表面（即外部复合材料管），或可对其施加附加层。

这样制备的多层管状部件可用于产生加压流体导管或压力室，诸如用于核燃料元件的包壳。下面给出对制造用于核燃料元件的包壳进行说明，这是本发明的优先目标申请。

如上所述，第一内部CMC管被制备，在这里，为内径为7mm且厚度为300μm的由SiC_f/SiC制成的管，可选地通过用热解碳类材料的层来涂覆复合材料管的外表面来完成。

然后，或者通过在内部CMC管上进行轧制随后进行镀覆（使用磁力成型或拉伸技术）或者通过将一层直接气相沉积在内部CMC管上来制备内径为7.7mm且厚度为100μm的由钽制成的金属管。

钽层可选地涂有具有几百纳米厚度的热解碳类材料的层。

最后，通过形成由SiC/SiC制成的加强件并且按照通常过程进行浸渍此加强件，可选地通过涂覆或磨削此外部复合材料管的外表面来完成，直接在前述步骤中获得的部件上制得厚度为600μm的由SiC_f/SiC制成的外部复合材料管。通过气相（PVD或CVD）沉积SiC型材料至几百纳米厚度来完成的后一种涂覆如果满足要求（例如，这对限制与冷却剂沿着包壳的摩擦相关的压力下降可能是必要的）拟用于产生光滑的表面光洁度（surface finish）。

为了获得多层结构（开口端是密封的多层部件），多层管状部件的端部通过机械加工CMC外层（例如，在5mm的长度上）来进行清除（clear），而不损伤下方的金属层。

然后，通过将盖或金属筛6焊接在先前经清除的金属管的部件上（具有例如通过冲压得到的100μm厚的盖），然后将由CMC材料（例如，SiC_f/SiC）制成的盖钎焊在外部CMC管上来闭合管状部件的两个端部中的一个端部。在图3b中，焊缝是用标记8标出，而钎焊缝用标记9标出。

任选能够在单个筛中结合金属盖和CMC盖。

CMC盖可以是任选的，前提是金属被选择用于在正常和意外操作下在耐火性和耐内压的方面上具有足够的热机械性能的盖。例如，能够使用通过冲压或机加工得到的、焊接到多层管状部件的金属管并且钎焊到多层管状部件的外部CMC管的厚度为700μm的金属盖。

将注意的是，如果进行了前面的步骤从而制造封闭管（在其端部之一处是闭合的），多层管状结构的端部密封步骤可以成为可选的。

然后，可以将核燃料5的芯块（在这里，其具有6.71mm的直径）连同布置在芯块的柱和盖之间的内部零件（弹簧、间隔件、楔）（图3b中未示出）插入管状结构的内部。

最后，按照以上描述的过程可以进行管状部件的另一个开口端的闭合。

所提出的方案的创新在于包壳概念的多层特性，其中，用作气密密封层的金属层定位于两个CMC层之间满足了耐火性和机械强度的要求，从而获得先进燃料元件。

使用此特定的定位，能够得到窄厚度（50～200nm）的气密密封层，而没有任何通过由高温决定的过度变形和中子流而弱化的风险，而且没有由高燃烧水平决定的核燃料及其裂变产物造成损害的风险。

金属层的这种窄厚度以及与燃料及其裂变产物的任何强相互作用的缺乏允许使用广泛的气密密封材料。

此解决方案提出了用于具有由CMC材料制成的包壳的燃料元件的裂变产物的持久控制模式。在这方面，它开辟了使用这种类型的包壳的前景，包壳的耐火性（伴随着良好的中子特性）将在允许燃料元件的改进的安全性的同时，保证由在确定尺寸中将考虑的偶然瞬变的超高温决定的其几何完整性（保证控制反应堆堆芯的反应性和冷却性）。

由CMC材料制成的外部管和内部管不仅充当机械加强件，而且充当用于加固常规金属包壳对意外瞬变的抗性（热稳定性和抗蠕变性）的耐火加强件，这使得能达到通常针对GFR或针对包壳对在PWR、BWR和SFR中一些偶然瞬变的高温情况的抗性的重大改进的安全目标。

参考书目

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[2]US2006/0039524A1

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[3]US5,681,511

Streckert et al.,“Hermetic ceramic composite structures”

[4]Spatz et al.

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[6]WO2010/031925A2

Cabrero et al.,“Gaine de combustible nucléaireàhaute conductivitéthermiqueet son procédéde fabrication”(“Nuclear fuel sheath with high heat conductivity andits method of fabrication”)

Claims

1.一种多层管状部件（1），包括形成金属管状主体（3）的金属层和覆盖所述金属管状主体的陶瓷基体复合材料的两个层，其特征在于，所述陶瓷基体复合材料的两个层中的一个层覆盖所述金属管状主体的内表面以形成内部管状主体（4），而所述陶瓷基体复合材料的两个层中的另一个层覆盖所述金属管状主体的外表面以形成外部管状主体（2），所述金属管状主体从而被夹在所述内部管状主体和所述外部管状主体之间，所述金属管状主体的平均厚度小于所述内部管状主体的平均厚度和所述外部管状主体的平均厚度。

2.根据权利要求1所述的多层管状部件，其中，所述金属管状主体（3）的平均厚度为所述多层管状部件的平均厚度的5%～20%。

3.根据权利要求1所述的多层管状部件，其中，所述金属管状主体（3）由选自铌及铌合金、钽及钽合金、钨及钨合金、钛及钛合金中的材料制成。

4.根据权利要求1所述的多层管状部件，其中，所述内部管状主体（4）和所述外部管状主体（2）由C_f/C、C_f/SiC或SiC_f/SiC复合材料制成。

5.一种具有封闭室的管状结构（10），所述结构包括根据权利要求1～4中任意一项所述的多层管状部件（1）；所述多层管状部件具有一到两个开口端和用于每个所述开口端的至少一个盖（7，8），每个所述盖布置于开口端以便完全密封所述开口端；每个所述盖包括由金属或金属合金制成的内层，以用于被固定至所述多层管状部件的金属管状主体，以及可选的附加层，所述可选的附加层由陶瓷基体复合材料制成，以用于被固定至所述多层管状部件的外部管状主体；所述结构的封闭室由所述多层管状部件的内壁和每个所述盖的内壁界定。

6.根据权利要求5所述的管状结构（10），其中，所述多层管状部件（1）在每个开口端处包括环形区域，在所述环形区域中所述金属管状主体没有被所述外部管状主体覆盖，并且其中，每个所述盖由连接到侧边的底部形成，所述侧边适配于覆盖所述环形区域。

7.根据权利要求5或6所述的管状结构，其中，所述结构是能够容纳核燃料和由所述核燃料在被辐射时所释放的裂变气体的核燃料包壳。

8.根据权利要求7所述的管状结构，其中，所述金属管状主体（3）具有50～200微米的平均厚度。

9.一种核燃料元件（100），包括封装在根据权利要求5～8中任意一项所述的管状结构（10）的封闭室中的核燃料（5）。

10.一种用于制造根据权利要求1～4中任意一项所述的多层管状部件（1）的方法，包括以下连续步骤：

a）提供陶瓷基体复合材料的管状主体以形成内部管状主体（4）；

b）在所述内部管状主体（4）上形成金属管状主体（3）；

c）通过实施以下连续步骤在所述金属管状主体上形成外部管状主体（2）：

在所述金属管状主体的外表面上制备连续纤维的纤维预制体，

施加处理以通过在所述预制体中形成基体来引起所述预制体致密化，所述处理在低于所述预制体的退化温度、低于所述金属管状主体的退化温度且低于所述内部管状主体的退化温度的温度下进行。

11.根据权利要求10所述的用于制造多层管状部件（1）的方法，其中，步骤a）包括以下连续步骤：

在圆柱形支撑元件上制备连续纤维的纤维预制体；

施加处理以通过在所述预制体中形成基体来引起所述预制体的固结，该处理在低于所述预制体的退化温度且低于所述支撑元件的退化温度的温度下进行；

通过化学侵蚀所述支撑元件的材料与固结的所述预制体的接触表面来将所述支撑元件从所述固结的预制体去除；

在低于所述固结的预制体的退化温度的温度下使所述固结的预制体致密化。

12.根据权利要求11所述的用于制造多层管状部件的方法，其中，步骤b）包括在所述内部管状主体的外表面上气相沉积金属层或金属合金层。

13.根据权利要求11所述的用于制造多层管状部件的方法，其中，步骤b）包括以下连续步骤：

将所述内部管状主体（4）插入到由金属或金属合金制成的金属管中；

将该金属管镀覆在所述内部管状主体（4）的外表面上；

可选地对由此形成的部件退火。

14.根据权利要求10所述的用于制造多层管状部件的方法，所述方法还在步骤a）和步骤b）之间包括所述内部管状主体的表面的表面处理步骤，以降低所述内部管状主体的表面粗糙度。

15.一种用于制造根据权利要求5～8中任意一项所述的管状结构（10）的方法，包括通过使用权利要求10～14中任意一项所述的方法来制造多层管状部件（1），和通过将盖（7，8）放置在每个开口端上并将所述盖固定在金属管状部件（1）上来密封所述部件（1）的所述开口端，每个所述盖包括由金属或金属合金制成的内层和可选的由陶瓷基体复合材料制成的附加层。

16.根据权利要求15所述的用于制造管状结构的方法，包括形成所述多层管状部件，以使所述多层管状部件在每个开口端处包括环形区域，在所述环形区域中所述金属管状主体没有被所述外部管状主体覆盖，当将盖固定在对应所述环形区域的所述开口端上时，每个所述环形区域被所述盖的金属内层完全覆盖。