CN105469839B - SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法 - Google Patents

SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，在SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头上设有凹槽，使其端口既具有良好的气密性，又能抵抗核反应时产生的气体内胀力，防止核辐射泄露。同时采与SiC/SiC复合材料的热膨胀系数相近、润湿性良好的壳管封装剂材料进行封口。本发明的有益效果是：通过本发明中设计的SiC/SiC包壳管的端口封装结构及封装技术使其端口既具有良好的气密性，也防止核反应时产生的气体内胀力使得塞头迸出，防止核辐射泄露，提高核反应堆运行的安全性。

Description

SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法
技术领域
本发明属于核能的核燃料包壳管封装技术，具体涉及一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，主要用于防止包壳管端口接头处核辐射泄露。
背景技术
众所周知，日本福岛的核辐射泄露事故，造成了惨痛的伤亡。事故发生后，相关人员究其原因，发现是核燃料的包壳管----Zr管，与反应堆中的水在一定条件下发生反应，短时间内放出大量的氢气聚集，发生爆炸，引起核辐射泄露。事故现场核辐射放射剂量较大，对周边环境影响严重。之后，麻省理工大学(MIT)相关人员就SiC/SiC复合材料能否作为核燃料包壳管，能否切实保障核安全作了大量基础研究，研究表明SiC/SiC复合材料具有高强度、耐辐射、耐高温、耐腐蚀且对核燃料无污染等性能，使得SiC/SiC复合材料成为下一代压水反应堆最具竞争力的、安全性高的包壳管材料。
核包壳管有其特殊性：其一，包壳管是薄壁细长管，外径10cm，壁厚1mm，管长4m；其二，当发生核事故时，要能承受1200℃以上25MPa的内胀力；其三，气密性要好，防止壳内辐照产生的气体泄漏。核包壳管不仅要耐高温而且要有好的气密性，使得SiC/SiC核包壳管的封装成为其能否得到应用的一个关键技术问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，涉及到Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷的封装技术，以及包壳管端口的封装结构设计，推进SiC/SiC核包壳管应用到核反应堆上，将核辐射泄露事故防患于未然，提高核反应堆运行的安全性。
技术方案
一种SiC/SiC复合材料塞头，其特征在于：塞头为T型圆柱形结构，T型结构堵头的下端设有置放封装剂的储料区凹槽。
在凹槽与堵头之间设有铆钉孔。
T型结构堵头的下端设有连接螺纹。
一种利用SiC/SiC复合材料塞头实现SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管放入酒精中超声波清洗30min～60min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干；
步骤2：将封装剂涂覆在SiC/SiC塞头和SiC/SiC包壳管内壁，并使得SiC/SiC塞头的储料区凹槽内充满封装剂，然后将塞头装入SiC/SiC复合材料包壳管待封装端口，并清理塞头和SiC/SiC包壳管外残留物，完成预封装；
步骤3：将预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5～20℃/min从室温升至1360℃～1420℃，保温30min～45min；再以降温速度1～2℃/min降温至1300℃～1350℃，并保温60min～75min；最后以降温速度5～20℃/min降至室温。
当SiC/SiC复合材料塞头采用权利要求2所述结构时，需要在步骤1中清洗烘干穿入铆钉孔的铆钉，在步骤2将塞头装入SiC/SiC复合材料包壳管待封装端口后将铆钉铆入铆钉孔中。
当SiC/SiC复合材料塞头采用权利要求3所述结构时，需要在SiC/SiC复合材料核包壳管端口的内壁设有内螺纹结构，在步骤2将塞头通过螺纹旋入SiC/SiC复合材料包壳管端口。
所述烘箱温度为150～200℃，烘干时间为2-4h。
一种用于所述SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法的封装剂，其特征在于组份为Y2O3、Al2O3和SiO2；质量配比为：10％～20％的Y2O3、20％～40％的Al2O3、40％～70％的SiO2；组合物中各组分的质量百分比之和为100％。
所述Y2O3、Al2O3和SiO2的粒度为0.1-1微米。
一种制备所述封装剂的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将质量配比为10％～20％的Y2O3、20％～40％的Al2O3、40％～70％的SiO2进行混合球磨；
步骤2：加入酒精混合均匀制成封装剂，所述加入的酒精量为混合料的90wt％。
有益效果
本发明提出的一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，在SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头上设有凹槽，使其端口既具有良好的气密性，又能抵抗核反应时产生的气体内胀力，防止核辐射泄露。同时采与SiC/SiC复合材料的热膨胀系数相近、润湿性良好的壳管封装剂材料进行封口。本发明的有益效果是：通过本发明中设计的SiC/SiC包壳管的端口封装结构及封装技术使其端口既具有良好的气密性，也防止核反应时产生的气体内胀力使得塞头迸出，防止核辐射泄露，提高核反应堆运行的安全性。
附图说明
图1是SiC/SiC端口无铆钉封装结构设计图。
图2是SiC/SiC端口含铆钉封装结构设计图。
图3是SiC/SiC端口螺纹封装结构设计图。
图4是本发明的流程图。
图5是封装层的微观形貌示意图。
a图为封装层的整体形貌图，b图为封装层界面处的局部放大图。
1-SiC/SiC复合材料塞头，2-封装剂的储料区凹槽，3-封装面，4-包壳管，5-铆钉，6-螺纹。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一：
本实施例是在SiC/SiC复合材料片上做封装测试。所涉及SiC/SiC复合材料片的尺寸为：10x10x3(mm)，待封装面尺寸为10x10(mm)。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤一、清洗待连接片。
将待封装的SiC/SiC复合材料片放入酒精中超声波清洗30min，将清洗后的复合材料片放入烘箱中烘干，烘箱温度为150℃，烘干时间为2h。
步骤二、配备封装剂。
采用尺度在0.8μm的Y2O3、Al2O3、SiO2三种粉料，其配比质量比为：Y2O310.31％、Al2O314.77％、SiO274.92％，将三者混合球磨5h，使其混合均匀。取适量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70wt％，混合均匀制成封装剂，封存备用。
步骤三、预封装。
从步骤二中取适量封装剂，在两片SiC/SiC复合材料的待封装面均匀涂上封装剂，将两片涂有封装剂的面接触且对齐，并清理SiC/SiC复合材料片外残留物，完成预封装。
步骤四、封装。
将步骤三预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5℃/min从室温升至1420℃，保温45min；再以降温速度2℃/min降温至1350℃，并保温60min；最后以降温速度5℃/min降至室温。完成SiC/SiC复合材料片的封装。
实施例二：
本实施例是在SiC/SiC复合材料包壳管上，采用无铆钉的封装结构，对核包壳管端口进行封装。所涉及到的SiC/SiC复合材料包壳管尺寸：外径12.50mm、管厚2mm、管长130mm。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤一、封装结构设计及端头加工。
包壳管的端口封装结构设计为：塞头无铆钉连接设计，在SiC/SiC复合材料的塞头设计封装剂的储料区。根据设计加工SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管(见图1)。
步骤二、清洗待连接件。
将塞头和包壳管放入酒精中超声波清洗30min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干，烘箱温度为200℃，烘干时间为3h。
步骤三、配备封装剂。
采用尺度在1μm的Y2O3、Al2O3、SiO2三种粉料，其配比质量比为：Y2O3 10.31％、Al2O314.77％、SiO2 74.92％，将三者混合球磨5h，使其混合均匀。取适量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70wt％，混合均匀制成封装剂，封存备用。
步骤四、预封装。
从步骤三所配封装剂中取适量，在SiC/SiC包壳管和SiC/SiC塞头的待封装面均匀涂上封装剂，且在储料区填满封装剂。将涂有封装剂的塞头塞入包壳管内，并清理SiC/SiC包壳管外残留物，完成预封装。
步骤五、封装。
将步骤四预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5℃/min从室温升至1420℃，保温45min；再以降温速度2℃/min降温至1350℃，并保温60min；最后以降温速度5℃/min降至室温。完成SiC/SiC包壳管无铆钉结构的端口封装。
实施例三：
本实施例是在SiC/SiC复合材料包壳管上，采用含铆钉的封装结构，对核包壳管端口进行封装。所涉及到的SiC/SiC复合材料包壳管尺寸：外径11.70mm、管厚1.5mm、管长150mm。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤一、封装结构设计及端头加工。
包壳管的端口封装结构设计为：塞头带铆钉连接设计，在SiC/SiC复合材料的塞头设计封装剂的储料区。根据设计加工SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管以及铆钉等(见图2)，其中铆钉孔直径为～1.5mm，铆钉直径为～1.5mm。
步骤二、清洗待连接件。
将塞头、包壳管及铆钉放入酒精中超声波清洗30min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干，烘箱温度为200℃，烘干时间为3h。
步骤三、配备封装剂。
采用尺度在0.5μm的Y2O3、Al2O3、SiO2三种粉料，其配比质量比为：Y2O3 10％、Al2O340％、SiO2 50％，将三者混合球磨5h，使其混合均匀。取适量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的60wt％，混合均匀制成封装剂，封存备用。
步骤四、预封装。
从步骤三中取适量封装剂，在SiC/SiC包壳管和SiC/SiC塞头的待封装面以及铆钉表面均匀涂上封装剂，且在储料区填满封装剂。将涂有封装剂的塞头塞入包壳管内，并将铆钉铆入铆钉孔，清理SiC/SiC包壳管外残留物，完成预封装。
步骤五、封装。
将步骤四中已装配完成的预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5℃/min从室温升至1420℃，保温45min；再以降温速度2℃/min降温至1350℃，并保温60min；最后以降温速度5℃/min降至室温。完成铆钉结构的端口封装。
实施例四：
本实施例是在SiC/SiC复合材料包壳管上，采用螺纹封装结构，对核包壳管端口进行封装。所涉及到的SiC/SiC复合材料包壳管尺寸：外径12.30mm、管厚1mm、管长135mm。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤一、封装结构设计及端头加工。
包壳管的端口封装结构设计为：塞头带螺纹连接设计，在SiC/SiC复合材料的塞头设计封装剂的储料区。根据设计加工SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管等(见图3)，其中螺牙深度为～0.2mm。
步骤二、清洗待连接件。
将SiC/SiC复合材料塞头和SiC/SiC复合材料包壳管放入酒精中超声波清洗30min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干，烘箱温度为200℃，烘干时间为3h。步骤三、配备封装剂。
采用尺度在0.5μm的Y2O3、Al2O3、SiO2三种粉料，其配比质量比为：Y2O3 10.31％、Al2O3 14.77％、SiO2 74.92％，将三者混合球磨4h，使其混合均匀。取适量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70wt％，混合均匀制成封装剂，封存备用。
步骤四、预封装。
从步骤三中取适量封装剂，在SiC/SiC带螺纹包壳管和SiC/SiC带螺纹塞头的待封装面均匀涂上封装剂，且在螺纹凹槽区填充封装剂，并在储料区填满封装剂。将涂有封装剂的塞头螺旋拧入包壳管内，并清理SiC/SiC包壳管外残留物，完成预封装。
步骤五、封装。
将步骤四中预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5℃/min从室温升至1450℃，保温45min；再以降温速度2℃/min降温至1380℃，并保温60min；最后以降温速度5℃/min降至室温。完成SiC/SiC包壳管螺纹结构的端口封装。

Claims (4)

1.一种利用SiC/SiC复合材料塞头实现SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法，所述的SiC/SiC复合材料塞头为T型圆柱形结构；其特征在于步骤如下：
步骤1：将SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管放入酒精中超声波清洗30min～60min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干；
步骤2：将封装剂涂覆在SiC/SiC塞头和SiC/SiC包壳管内壁，并使得SiC/SiC塞头的储料区凹槽内充满封装剂，然后将塞头装入SiC/SiC复合材料包壳管待封装端口，并清理塞头和SiC/SiC包壳管外残留物，完成预封装；
步骤3：将预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5～20℃/min从室温升至1360℃～1420℃，保温30min～45min；再以降温速度1～2℃/min降温至1300℃～1350℃，并保温60min～75min；最后以降温速度5～20℃/min降至室温。
2.根据权利要求1所述SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法，其特征在于：当SiC/SiC复合材料塞头的T型结构堵头的下端设有置放封装剂的储料区凹槽，需要在步骤1中清洗烘干穿入铆钉孔的铆钉，在步骤2将塞头装入SiC/SiC复合材料包壳管待封装端口后将铆钉铆入铆钉孔中。
3.根据权利要求1所述SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法，其特征在于：当SiC/SiC复合材料塞头在凹槽与堵头之间设有铆钉孔，T型结构堵头的下端设有连接螺纹，需要在SiC/SiC复合材料核包壳管端口的内壁设有内螺纹结构，在步骤2将塞头通过螺纹旋入SiC/SiC复合材料包壳管端口。
4.根据权利要求1所述SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法，其特征在于：所述烘箱温度为150～200℃，烘干时间为2-4h。
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