CN105845186B - 一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件及其制备方法，属于核反应堆技术领域。所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件，由金属筒体、封接玻璃、可伐合金管和铜导体组成；由内而外依次为铜导体、可伐合金管、封接玻璃和金属筒体。制备方法为：首先获得铜导体和可伐合金管的组合件，再制备得到玻璃预成型坯体，最后将经过预处理的金属筒体、玻璃预成型坯体、铜导体和可伐合金的组合件、烧结夹具组装在一起，放入气氛炉中封接，得到所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件。

Description

一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件及其制备方法，属于核反应堆技术领域。
背景技术
高温气冷堆具有低功率密度、高出口温度、高发电效率等特点，由于包覆颗粒燃料元件的耐高温特性以及单个反应堆模块功率的可限制性，使得高温气冷堆具有固有安全性。反应堆在任何瞬态和事故情况下，仅靠热传导和热辐射等自然机制，就可保证燃料最高温度不会超过温度限值，从技术上避免了类似堆芯熔化等严重事故的发生。
电气贯穿件作为高温气冷堆的核心设备，对于确保高温气冷堆一回路压力边界的完整性至关重要，是高温气冷堆安全防护最重要的屏障。
高温气冷堆一回路电气贯穿件的类型包括中压动力、低压动力、低压控制三种类型。其中中压动力电气贯穿件的使用电压达到6000V，电流达到500A。因此，中压动力电气贯穿件与低压动力型、低压控制型以及压水堆核电站安全壳上电气贯穿件的使用要求有明显区别。
高温气冷堆中压动力电气贯穿件的贯穿导体必须使用大直径的铜棒(直径>25mm)，由于铜的热膨胀系数很大(18.6×10-6C-1)，这就给电气贯穿件中密封材料的选择带来了极大困难。
如采用传统有机物作为密封材料，由于有机物耐辐照特性差、不耐高温，长时间使用后密封性不能满足要求。2011年3月日本福岛发生核泄漏事故后，日本东京电力公司对福岛核泄露事件的分析证实，过高温度和压力摧毁了福岛核电站中采用有机物密封的电气贯穿件，东京电力公司怀疑由此引起爆炸性氢气的泄露。因此，有机物密封材料不能满足高温气冷堆的使用要求。
另外，在公开的专利申请(201310282770.5)中，为了制备耐高温、耐高压电气贯穿件，采用氧化铝陶瓷材料作为密封材料，但氧化铝陶瓷的热膨胀系数与铜棒的热膨胀系数不匹配，因而在使用条件下容易出现涨裂现象，也不能满足使用要求。
无机玻璃具有很好的绝缘性和耐高温性能，是作为电气贯穿件密封材料的绝佳选择，但是直接采用玻璃与铜导体进行匹配封接，不能满足耐高气压的要求。因此，需要采用一种全新的结构来实现绝缘和密封。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件及其制备方法，具体技术方案如下：
一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件，由金属筒体1、封接玻璃2、可伐合金管3和铜导体4组成；由内而外依次为铜导体4、可伐合金管3、封接玻璃2和金属筒体1。
进一步地，所述金属筒体为10号钢、30CrMnSiA合金结构钢或16Mn钢。
进一步地，所述封接玻璃的材质为无机玻璃。
如上所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用钎焊料将铜导体4和可伐合金管3进行高温钎焊，得到铜导体和可伐合金管的组合件；
(2)将一定量的玻璃粉体加入石蜡，在加热条件下充分拌匀后冷却、造粒、过筛，然后在干压成型机上成型，再经过排蜡玻化，得到玻璃预成型坯体；
(3)将经过预处理的金属筒体、玻璃预成型坯体、铜导体和可伐合金的组合件、烧结夹具组装在一起，放入气氛炉中封接，得到所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件。
进一步地，步骤(1)中，钎焊温度为960～1060℃，钎焊时间为5～20分钟，钎焊过程中通入氢气作为保护气氛。
进一步地，步骤(2)中，玻璃粉体的各组分及重量百分比为：SiO2 40～60％，B2O3 3～ 10％，Al2O3 1～5％，La2O3 0～5％，Li2O 0～3％，Na2O 3～7％，K2O 3～6％，BaO 30～40％， TiO2 2～6％，Sb2O3 0～1％。
进一步地，步骤(2)中，玻璃粉体与石蜡的质量比为20：1。
进一步地，步骤(2)中，加热温度为80～110℃，成型压力为10MPa，排蜡玻化条件为： 600～680℃保温1～3小时。
进一步地，步骤(3)中，封接条件为：通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率升温，在920-1000℃温度下进行封接，保温时间为20分钟，在30分钟内降温到500℃，并保温1 小时以消除应力，最后再缓慢冷却到室温。
本发明首先将铜导体与可伐合金管进行高温钎焊，然后再将无机玻璃与可伐合金管进行高温封接，制备得到的电气贯穿件，其耐气压性、气密性特性均都得到了明显改善。
附图说明
图1是高温气冷堆中压动力电气贯穿件的剖面图；
图2是高温气冷堆中压动力电气贯穿件中，铜导体与可伐合金管高温钎焊后的界面扫描电镜图；
图中各编号的具体含义为：1-金属筒体，2-封接玻璃，3-可伐合金管，4-铜导体。
具体实施方式
本发明所述的高温气冷堆中压动力电气贯穿件的制备方法可以通过下列非限定性实施例得到更加清楚的描述。
实施例1-5
(1)首先分别采用去离子水和无水乙醇超声清洗铜导体棒和可伐合金管，烘干后将铜导体棒与可伐合金管组合，并在可伐合金管两端与铜导体棒结合处均匀涂覆钎焊料；将组合件竖直固定在气氛炉中的夹具上，通入高纯氢气，并以每分钟15℃的升温速率加热至1050℃，保温时间为20分钟，随后自然降温，得到铜导体棒与可伐合金管的组合件。
(2)将玻璃粉体以20:1的质量比加入石蜡，在90～110℃条件下充分拌匀，冷却、压制后过40目筛造粒，然后在干压成型机上成型，成型压力10MPa。加热到680℃并保温3小时排蜡玻化，得到玻璃预成型坯体。
玻璃粉体的各组分及重量百分比为：SiO2 40～60％，B2O33～10％，Al2O3 1～5％，La2O3 0～5％，Li2O 0～3％，Na2O 3～7％，K2O 3～6％，BaO 30～40％，TiO2 2～6％，Sb2O3 0～1％。
(3)将经过烧氢、预氧化处理的16Mn钢金属筒体、玻璃预成型坯体、铜导体棒和可伐合金管的组合件、烧结夹具组装在一起，放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，在920℃进行封接，保温时间为20分钟，再快速降温到500℃，并保温1小时以消除应力，最后再缓慢冷却到室温，得到所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件，测试结果如表1所示。
实施例2-5中，步骤(3)中封接时的温度依次为940℃、960℃、980℃、1000℃，其他条件均与实施例1相同。
表1实施例1-5制备的电气贯穿件样件的性能测试结果
实施例 封接温度 绝缘电阻/Ω 密封承压性能/MPa 泄漏率/Pa·m3/s
1 920℃ 3.6×1010 8.0 1.2×10-12
2 940℃ 4.2×1011 8.0 1.0×10-12
3 960℃ 3.2×1012 8.0 1.0×10-12
4 980℃ 8.0×1012 8.0 1.0×10-12
5 1000℃ 7.3×1010 8.0 1.0×10-12
实施例6-10(对比例)
(1)将玻璃粉体以20:1的质量比加入石蜡，在90～110℃条件下充分拌匀，冷却、压制后过40目筛造粒，然后在干压成型机上成型，成型压力10MPa。加热到680℃并保温3小时排蜡玻化，得到玻璃预成型坯体。
玻璃粉体的各组分及重量百分比为：SiO2 40～60％，B2O3 3～10％，Al2O3 1～5％，La2O3 0～5％，Li2O 0～3％，Na2O 3～7％，K2O 3～6％，BaO 30～40％，TiO2 2～6％，Sb2O3 0～1％。
(2)将经过预处理的16Mn钢金属筒体、玻璃预成型坯体、可伐合金管和烧结夹具组装在一起，再将组装好的试样放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，在960℃温度下进行封接，保温时间为20分钟，再快速降温到500℃，并保温1小时以消除应力，最后再缓慢冷却到室温，得到金属筒体、玻璃预成型坯体与可伐合金管的组合件。
(3)将上述组合件与清洗后的铜导体棒组合，然后在可伐合金管两端与铜导体棒结合处均匀涂覆钎焊料；将组合件竖直固定在气氛炉中的夹具上，通入高纯氢气，并以每分钟15℃的升温速率进行升温，在920℃保温20分钟进行钎焊，之后冷却到500℃，保温1小时后再自然冷却到室温，得到所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件，测试结果如表2所示。
实施例7-10中，步骤(3)中封接时的温度依次为940℃、960℃、980℃、1000℃，其他条件均与实施例6相同。
表2实施例6-10制备的电气贯穿件样件性能测试结果
实施例 封接温度 绝缘电阻/Ω 密封承压性能/MPa 泄漏率/Pa·m3/s
6 920℃ 2.5×1010 <1 8.0×10-7
7 940℃ 3.7×1010 0 >10×10-6
8 960℃ 3.0×1010 0 >10×10-6
9 980℃ 3.6×1010 0 >10×10-6
10 1000℃ 6.7×1010 0 >10×10-6
实施例11-15(对比例)
(1)将玻璃粉体以20:1的质量比加入石蜡，在90～110℃条件下充分拌匀，冷却、压制后过40目筛造粒，然后在干压成型机上成型，成型压力10Mpa。加热到680℃并保温3小时排蜡玻化，得到玻璃预成型坯体。
玻璃粉体的各组分及重量百分比为：SiO2 40～60％，B2O3 3～10％，Al2O3 1～5％，La2O3 0～5％，Li2O 0～3％，Na2O 3～7％，K2O 3～6％，BaO 30～40％，TiO2 2～6％，Sb2O3 0～1％。
(2)将经过预处理的16Mn钢金属筒体、玻璃预成型坯体、铜导体棒和烧结夹具组装在一起，再将组装好的试样放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，在960℃温度下进行封接，保温时间为20分钟，再快速降温到500℃，并保温1小时以消除应力，最后再缓慢冷却到室温，得到玻璃与铜导体棒直接封接的贯穿件，测试结果如表3所示。
实施例12-15中，步骤(3)中封接时的温度依次为940℃、960℃、980℃、1000℃，其他条件均与实施例11相同。
表3实施例11-15制备的电气贯穿件样件性能测试结果
实施例 封接温度 绝缘电阻/Ω 密封承压性能/MPa 泄漏率/Pa·m3/s
11 920℃ 5.2×108 <1 5.0×10-9
12 940℃ 3.7×1010 <1 4.5×10-8
13 960℃ 2.7×1010 <1 1.0×10-8
14 980℃ 4.2×1010 <1 5.0×10-9
15 1000℃ 3.5×1010 0 >10×10-6
对比表1、表2和表3可知，实施例1-5中先将铜导体棒与可伐合金管进行高温钎焊，然后再将无机玻璃与可伐合金管进行高温封接，获得了高耐压、高气密性的贯穿件。实施例6-10 中先将无机玻璃与可伐合金管进行高温封接，然后再与铜导体棒钎焊，所制备的贯穿件样品不耐压力，泄露率也较高。实施例11-15中直接将玻璃与铜导体棒进行封接，所制备的贯穿件样品不能承受高压，且部分贯穿件泄漏率高。采用本发明的密封结构，其耐气压性与气密性均得到了明显改善。

Claims (1)

1.一种高温气冷堆中压动力电气贯穿件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)首先分别采用去离子水和无水乙醇超声清洗铜导体棒和可伐合金管，烘干后将铜导体棒与可伐合金管组合，并在可伐合金管两端与铜导体棒结合处均匀涂覆钎焊料；将组合件竖直固定在气氛炉中的夹具上，通入高纯氢气，并以每分钟15℃的升温速率加热至1050℃，保温时间为20分钟，随后自然降温，得到铜导体棒与可伐合金管的组合件；
(2)将玻璃粉体以20:1的质量比加入石蜡，在90～110℃条件下充分拌匀，冷却、压制后过40目筛造粒，然后在干压成型机上成型，成型压力10MPa，加热到680℃并保温3小时排蜡玻化，得到玻璃预成型坯体；玻璃粉体的各组分为：SiO2、B2O3、Al2O3、La2O3、Li2O、Na2O、K2O、BaO、TiO2和Sb2O3；
(3)将经过烧氢、预氧化处理的16Mn钢金属筒体、玻璃预成型坯体、铜导体棒和可伐合金管的组合件、烧结夹具组装在一起，放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，分别在实施温度为920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃条件下进行封接，保温时间为20分钟，再快速降温到500℃，并保温1小时以消除应力，最后再缓慢冷却到室温，得到所述高温气冷堆中压动力电气贯穿件。
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