CN105960681A - 用于陶瓷涂层包壳的双重密封的燃料棒端塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及密封由碳化硅构成的燃料棒复合材料包壳管，不论燃料棒包壳设计架构(例如整块式，在内部具有整块SiC和在外侧具有用SiC纤维和SiC基体制成的复合材料的双联式)，优选其具有密封的SiC端塞盖，还用内部钎焊和外部SiC最终涂层密封，从而提供了一种双重密封的端塞阻挡体，其有效保持气体气密性，并为密封的端接头提供机械强度，同时提供高的耐化学性。

Description

用于陶瓷涂层包壳的双重密封的燃料棒端塞
背景技术
1.技术领域
本发明涉及在由含有陶瓷的材料构成的核水反应堆中的燃料棒包壳，并且更具体地涉及提供在燃料棒包壳的一端或两端上的双重密封。
2.相关技术说明
在典型的核水反应堆例如压水反应堆(PWR)、重水反应堆(例如CANDU)或沸水反应堆(BWR)中，反应堆堆芯包括大量的燃料组件，其每一个均由多个细长的燃料元件或燃料棒组成。燃料组件在尺寸和设计方面变化，取决于堆芯的所需尺寸和反应堆的尺寸。燃料棒各含有核燃料裂变材料，例如二氧化铀(UO2)、二氧化钚(PuO2)、二氧化钍(ThO2)、氮化铀(UN)以及硅化铀(U3Si2)或它们的混合物中的至少一种。至少一部分燃料棒还可以包括中子吸收材料，例如硼或硼化合物、钆或钆化合物、铒或铒化合物等或者它们的混合物。中子吸收材料可以存在于核燃料芯块堆垛体形式的芯块之上或之中。也可以使用燃料的环形或颗粒形式。
每个燃料棒具有充当容器以容纳裂变材料的包壳。燃料棒以阵列形式聚集，对其进行组织从而在堆芯中提供中子通量以支持核裂变的高速率，因而支持大量的能量以热的形式释放。通过反应堆堆芯泵送冷却剂如水从而提取在反应堆堆芯中产生的热用于产生有用的功如电力。
在燃料棒上的包壳可以由锆(Zr)构成，并且可以包括多达约百分之二重量的其它金属，例如铌(Nb)、锡(Sn)、铁(Fe)和铬(Cr)。现有技术中的最近发展已经提供了由含有陶瓷材料例如碳化硅(SiC)构成的燃料棒包壳。每个燃料棒的包壳具有定位在每端的塞子或盖。此外，在燃料棒中提供压紧(hold down)装置如金属弹簧从而保持核燃料芯块的堆垛体结构。
图1示出了现有技术的设计，它示出了燃料芯块10的堆垛体、锆基包壳12、弹簧压紧装置14和端塞16。端塞之一，即位于最靠近压紧装置14的端塞，通常称为顶端塞。
有必要密封包壳的端塞从而将包含在其中的燃料与反应堆堆芯环境隔离。存在已知的密封技术，其采用各种材料，例如Ti基或Al-Si基的组合物以及钎焊和其它常规方法以密封SiC包壳和端塞。这些材料表现出高的机械强度，以及提供气密性的能力。然而，存在与这些已知的密封材料相关的缺点，例如未能表现出对暴露于核反应堆环境的部件所必要的耐腐蚀性水平。此外，一些已知的密封技术，例如放电等离子烧结，对于大规模生产在经济上不是可行的。
因而，希望在本领域中开发用于燃料棒包壳的密封技术，特别是含SiC的包壳，其表现出以下特征和性能中的一个或多个：
-确保正常运行期间和之后的机械强度、预期的运行事件、偶发事故、和限制性故障；
-确保在辐射和核反应堆的特定腐蚀环境下端塞到包壳接头的密闭性；
-允许接合工艺适应满载包壳(具有燃料芯块和压紧装置)；
-允许用氦或其它导热回填气体以典型至多300psi的压力对燃料棒加压；以及
-允许接合工艺适应大规模生产用于商业应用。
本发明的一个目的是提供一种生产高强度、密闭性密封的商业上有用和可行的端塞密封体的方法，耐受在使用用于容纳燃料芯块的陶瓷复合体包壳的核环境中的辐射。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种密封用于核水反应堆堆芯中的核燃料棒的含有陶瓷的包壳的方法。该方法包括提供包括管状壁、由所述管状壁形成的空腔、第一开放端、第二开放端、和内径的包壳。该方法进一步包括提供第一端塞和第二端塞，其中第一和第二端塞各自包括顶表面、底表面、外表面、在其间延伸的长度和小于包壳的内径的外径；插入和密封第一端塞到包壳的第一开放端；将核燃料和压紧装置装入空腔；将钎焊材料沉积到第二端塞外表面的至少一部分上从而在其上形成第一涂层；将在其上具有第一涂层的第二端塞插入到包壳的第二开放端，其中将第二端塞的底表面定位在空腔的一部分内，且顶表面形成包壳的封闭第二端；将在其上具有第一涂层的第二端塞加热到等于或高于钎焊材料的熔融温度以至少熔化钎焊材料；冷却在其上具有第一涂层的第二端塞从而在第二端塞和包壳之间形成第一密封体；和在第二端塞的顶表面上和包壳的至少一部分上沉积包含SiC的第二涂层，从而在包壳上形成第二密封体。
在某些实施方案中，该方法进一步包括在第二端塞中形成开口，以允许气体进入空腔中。开口可填充有钎焊材料。
此外，可以使用上述用于在包壳的第二开放端中密封第二端塞的方法将第一端塞密封在包壳的第一开放端中。
在另一个方面，本发明提供一种密封用于核水反应堆的核燃料棒包壳的开放端的方法。包壳由包括碳化硅的材料构成，具有第一开放端和第二开放端、内部空腔、内径和设置在内部空腔中的核燃料。该方法包括提供核燃料棒包壳、第一端塞、第二端塞和钎焊组合物；向第一端塞和第二端塞的至少一部分施加钎焊组合物；向钎焊组合物施加热以形成涂层；将具有涂层的第一端塞插入到第一开放端中和将具有涂层的第二端塞插入到核燃料包壳的第二开放端，第一和第二端塞各自包括顶表面、底表面和在其间延伸的长度、底表面定位在内部空腔的一部分中，和顶表面形成包壳的第一封闭端和第二封闭端，其中第一端塞和第二端塞各自具有外径，所述外径比包壳的内径小，使得在它们之间形成空间，并且施加在第一和第二端塞上的涂层至少部分地填充该空间的一部分。
在某些实施方案中，该方法进一步包括向插入在第一和第二开放端中的第一和第二端塞的每一个的顶表面分别施加，和向包壳的至少一部分施加含SiC的组合物，从而在其上形成第二涂层和提供第二密封体。该方法包括在将燃料装入内部空腔之前和期间将仅一个端塞插入到包壳中，和在燃料的装载完成时插入第二端塞。
在又一个方面，本发明提供了一种用于核水反应堆的管状陶瓷复合材料包壳。该包壳由包括碳化硅的材料构成，具有第一开放端和第二开放端、内部空腔、内径和设置在内部空腔中的核燃料。该复合体包括第一端塞和第二端塞，施加于第一端塞和第二端塞的至少一部分的钎焊组合物，通过向钎焊组合物施加热在第一和第二端塞的每个上形成的第一涂层，施加于插入在第一和第二开放端中的第一和第二端塞的每个的顶表面(使得第一和第二端的每个的顶表面分别形成第一和第二封闭端)和包壳的至少一部分的含SiC的组合物，以及由在第一和第二端塞的每个的顶表面上和包壳的至少一部分上的含SiC的组合物形成的第二涂层。
附图说明
可以在结合附图时从优选实施方案的以下描述中得到本发明的进一步理解，其中：
图1是含有燃料芯块、压紧弹簧和端盖的现有技术的锆合金燃料棒的放大纵截面图；
图2示出了根据本发明的某些实施方案的密封的陶瓷复合材料燃料棒包壳的横截面图，该包壳具有在端塞上方的CVI/CVD施加的SiC涂层和内部的焊料(braze)；
图3示出了根据本发明的某些实施方案的密封的陶瓷复合材料燃料棒包壳的横截面图，该包壳具有在陶瓷复合材料燃料棒包壳端面的焊料和在端塞上方的CVI/CVD施加的SiC涂层；和
图4示出按照本发明的某些实施例用于施加包壳双端密封的示意框图方法。
具体实施方式
本发明整体上涉及燃料棒包壳以及用于密封包壳端部的方法。燃料棒包壳典型是细长管的形状，其具有形成于其中的空腔和两个相对的开放端。该空腔具有包含在其中的燃料芯块和典型的压紧装置如弹簧从而保持燃料芯块的结构例如堆垛体。燃料棒包壳定位在核水反应堆的堆芯中。端盖或端塞定位在包壳的各个开放端处或之中(en)以提供密封体并防止在芯中循环的反应堆冷却剂进入燃料棒包壳。
本发明包括一种双-或双重密封体以包围或部分地包围该包壳的端部例如端盖。可以在两步方法中提供双重密封体。一个步骤使用常规钎焊技术以将端塞附接和密封到燃料棒包壳的内表面和/或端面。已知的钎焊技术包括使用铝-硅(Al-Si)的密封化合物。另一步骤使用常规的化学气相沉积(CVD)或化学气相渗透(CVI)技术以提供密封阻挡体，从而将端塞连接到包壳。如本文和权利要求书中所使用的，CVI是指使用分解的气态陶瓷基体前体在孔隙中沉积陶瓷基体材料，而CVD是指使用分解的气态陶瓷基体前体在表面上沉积陶瓷基体材料。
包壳由含陶瓷的材料构成。由于与陶瓷相关的已知脆性，该包壳材料通常是陶瓷和其它材料的组合。构造碳化硅(SiC)的燃料棒包壳是现有技术中已知的。
合适的包壳材料的非限制性实例包括碳化硅(SiC)纤维增强的复合材料。这些复合材料可以具有两层或三层。两层复合材料包括由渗透有β相SiC的连续β相化学计量SiC纤维的层至少部分地覆盖的高纯度β或α相的化学计量SiC的包壳。三层复合材料包括细粒的β相SiC的附加外保护层。在某些情况下，通常将纤维组分施加预应力，从而将纤维形成丝束和丝束逆卷取搭接(tow reverse windingoverlapping)，其中纤维涂覆有小于1微米的碳或石墨或氮化硼以提供允许纤维滑移的弱界面。可以进行这一过程以改善裂纹扩展抵抗性。Feinroth等人的美国专利公开号2006/0039524 A1(在此通过引用并入本文)描述了这样的核燃料管和使用公知的化学气相渗透(CVI)或聚合物浸渍和热解(PIP)的方法的基体致密化。
本发明适用于现有技术中已知的各种各样的包壳组合物和设计，例如但不限于整块式(monolithic)，在内部具有整块式碳化硅和在外侧具有用SiC纤维和SiC基体制成的复合材料的双联式(duplex)。
在本发明的某些实施方案中，用与包壳相同的材料组合物构造端塞。可以同时将两个端塞中的每者插入到包壳的相对端中，或者可以在另一个之前插入一个端塞。在常规的燃料加载过程中，将一个端塞插入并附接到包壳的开放端例如从而密封一端，然后将压紧的燃料芯块和堆垛体装入包壳中，和在加载后将另一端塞插入并附接到包壳的另一开放端。作为替代，可以将压紧的燃料芯块和堆垛体加载到包壳中，并随后可以将两个端塞插入并附接到包壳的开放端。
按照本发明，使用接合材料例如焊料将每个端塞接合和密封到包壳的开放端。如本文所述，可以根据现有技术中已知的常规的组合物、设备和工艺进行该步骤。对所用的接合材料进行选择，使得它具有足够的强度和高温性能，以在该在第二步骤中进行的CVI或CVD工艺过程中确保接头的完整性。在替代实施方案中，接合材料可以能够或可以不能够在核反应堆环境中表现出足够的耐腐蚀性。可以在端塞的外表面的至少一部分上沉积接合材料从而在其上形成涂层。端塞的结构通常具有顶表面、底表面和在其间延伸的长度，其中该长度具有外径。从顶表面到底表面，外径可以是相同的，或外径可以在端塞的长度上变化。底表面通常定位于包壳空腔内，且顶表面定位在包壳的端面处。例如，端塞的顶表面可以与包壳的端面基本平齐，或者可以突出超过包壳的端面。也可在包壳的内表面例如空腔壁上沉积接合材料，优选在将端塞插入包壳的位置。在沉积后，将接合材料热固化以形成涂层。如本文和权利要求中是使用的，术语“固化”(它涉及接合材料)是指将材料接合到包壳使得其提供强度和密闭性能的过程。固化接合材料的热处理高于涉及SiC沉积的CVI或CVD工艺的通常所需的温度(约1000℃)。接合材料的非限制性实例是Si含量大于约60％的Al-Si。也可以使用其它化合物如钛箔或钛基物。
在该第一密封步骤过程中，可以如在常规的设计中那样用惰性气体如氦(He)(例如至多300psi)或其他回填气体例如具有相似或改善的气体热导率的气体如氢，对该棒进行加压。作为替代，可在端塞中形成中心孔或开口，以允许进入的气体通过从而对该棒加压。然后，用如上所述的接合材料可至少部分地填充并密封该孔或开口。常规燃料棒端塞的设计包括在其中形成的中心孔，但是，在某些其中在加压的腔室中用高温焊料进行密封的实施方案中，在端塞中不需要中心孔或开口。
在该第一密封步骤之后，通过采用CVI或CVD在燃料棒包壳的表面包括端塞的表面例如顶表面上沉积SiC来施加第二密封体。有利地同时在多个棒上执行此步骤，因为与CVI和CVD有关的处理时间是重要的。在某些实施方案中，控制在CVI或CVD反应器中的温度，使得在包壳的顶部和顶端塞上方优先发生沉积。如本文前面提到的，在最接近压紧的堆垛体处定位的端塞通常称为“顶”端塞。
图2示出了根据本发明的某些实施方案的双重密封燃料棒包壳管22的一部分，其中接头30(即，将该端盖密封到包壳的接合材料)位于包壳管的内表面。如图2所示，在包壳22中含有燃料芯块20的堆垛体和压紧装置24。通过压紧装置24将燃料芯块20保持就位。将顶端塞26插入到包壳22的端部，并通过双密封固定。第一密封体包括沉积在顶端塞26的外表面和包壳22的内表面之间钎焊材料30。顶端塞26的外径32小于包壳22的内径34。因此，在外径32和内径34之间存在间隙或空间，且该空间至少部分地包括钎焊材料30。在某些实施方案中，钎焊材料30选自Si、Al、C、Ti、Zr、Ca、Na、Mg、K、Li、Ce、Fe、Cr、Ni、Zn、Pb及其组合。在某些实施方案中，钎焊材料为析出的形式。
图2还示出了在顶端盖26中央形成的填充孔40，作为将惰性气体泵送到包壳22内部的构件。在提供惰性气体后，将钎焊材料30插入填充孔40中以密封该开口。在本发明中，填充孔40是任选的。
此外，图2示出了沉积在顶端塞26的顶表面和包壳22的至少一部分上方的含陶瓷的涂层42。在某些实施方案中，涂层42由SiC构成，并且可以通过常规的CVI或CVD方法施加。该涂层42对于完全包围或包封包壳22的端部和端塞26的整个外部顶表面是有效的。
按照本发明，钎焊材料30和涂层42提供无泄漏、双重密闭的密封体用于燃料芯块，该燃料芯块被包含在包壳22内。
图3示出了根据本发明的某些实施方案的双重密封的燃料棒包壳管22，其中密封体主要位于包壳22的端面处。图3包括管状陶瓷复合材料包壳22、燃料芯块20的堆垛体、压紧装置24、顶端塞26、填充孔40、如在图2中所示的含有陶瓷的涂层42和钎焊材料30。在图3中，钎焊材料30沉积在包壳22的端面例如方形端36处。即，钎焊材料30在包壳22的端部的方形端36和顶部端盖26之间。
在某些实施方案中，可以组合如图2和3所示的钎焊材料30的沉积从而提供双重密封的顶部端塞26，其包括沉积在包壳的端面例如方形端36的钎焊材料30，和沉积在包壳22的内部部分上的钎焊材料30，其中顶端塞26的外径32小于包壳22的内径34，从而形成间隙或空间。此外，在该实施方案中，焊料30显示为填充该填充孔40。
现在参考图4，其以框式流程图示出了本发明的方法，其中提供50没有或具有一个安装有密封材料的端塞的管状陶瓷复合材料包壳。陶瓷复合材料包壳50填充52有核燃料和压紧弹簧或其他装置。然后，利用钎焊材料将陶瓷复合材料包壳的开放端上一个或两个的端塞密封，其中将钎焊材料施加于陶瓷复合材料54内部的界面处和/或在陶瓷复合材料与端塞56的界面的外端处。将端塞和陶瓷复合材料包壳加热58从而在约10分钟至120分钟的时段内将温度升高到至多2500℃，优选1000℃至2500℃，以提供密闭密封的燃料棒60。最后，用CVI和/或CVD 62将陶瓷材料密封层施加于陶瓷复合材料包壳的至少一部分和端塞，从而在密闭密封的燃料棒64上产生双重密封的端部接头。
实施例
实施例1
将12英尺长的SiC复合材料包壳管供给到燃料制造商。使用涂有60％Si/40％Al的合金钎焊化合物的SiC端塞密封包壳的一端，将其推到包壳管的端部，同时以100℃/分钟将该端部加热到1300℃并保持30秒，然后使其冷却到室温。然后，使用铀陶瓷芯块和压紧弹簧填充陶瓷管，用He气加压到300psia。使用涂有60％Si/40％Al的合金钎焊化合物的SiC塞子施加最后端塞，将该化合物推到包壳管的端部，同时以100℃/分钟将该端部加热到1300℃并保持30秒，然后使其冷却到室温。随后在1000℃下使用CVD法将SiC的10微米涂层施加于整个棒，以提供耐化学性。
实施例2
将12英尺长的SiC复合材料包壳管供给到燃料制造商，一端已密封。包壳管填充有铀陶瓷芯块和压紧弹簧。使用涂有60％Si/40％Al的合金钎焊化合物的SiC端塞将其中心形成有填充孔的端塞施加于包壳管的开放端，将其推到包壳管的端部，同时以100℃/分钟将该端部加热到1300℃并保持30秒，然后使其冷却到室温。首先将管抽空，然后用He气加压到300psia。将60％Si/40％Al的合金钎焊化合物插入到填充孔，并以100℃/分钟将该端部加热到1300℃并保持30秒，然后使其冷却到室温，同时在塞和棒之间保持压紧压力。随后，在1000℃下使用CVD将10微米的SiC涂层施加于整个棒以提供耐化学性。
整体而言，在燃料棒包壳内提供双重的密封端塞中，本发明考虑了以下信息。
·在顶部(第二)端塞接头(压紧装置位于此处)的直接临近处的陶瓷复合材料包壳的温度很可能与冷却剂水的温度接近或相同(不论冷却剂水是液体还是蒸汽的形式)。因此，在300℃至400℃的范围内能够保持气密性和机械强度的密封技术是足够的。然而，这样可能不足以提供必要的耐腐蚀性。
·对于超出设计基准的事故，例如全厂失电，那时涂层和其端塞接头暴露于高温蒸汽延长的时间段，预期仅仅燃料棒的SiC部分提供延长时间段的保护。
虽然已经详细描述本发明的具体实施方案，但本领域的技术人员理解，可以鉴于在本公开的全部教导开发对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的具体实施方案仅意在为说明性的，而不是限制本发明的范围，该范围由所附权利要求及其任何和所有等同物的全部广度所给予。

Claims (7)

1.密封用于核水反应堆的堆芯中的核燃料棒的含陶瓷的包壳(22)的方法，包括：
提供包壳(22)，它包括：
管状壁(21)；
由管状壁(21)形成的空腔；
第一开放端；
第二开放端；和
内径(34)；
提供第一端塞(16)和第二端塞(16)；
其中，第一和第二端塞(16)各自包括顶表面、底表面、外表面、在其间延伸的长度、和外径(32)，该外径(32)小于包壳(22)的内径(34)，
将第一端塞(16)插入并密封到包壳的第一开放端；
将核燃料(20)和压紧装置(24)装入空腔；
在第二端塞(16)的外表面的至少一部分上沉积钎焊材料(30)从而在其上形成第一涂层；
将在其上具有第一涂层的第二端塞(16)插入到包壳的第二开放端(22)，
其中，第二端塞(16)的底表面定位在空腔的一部分中，且顶表面形成包壳(22)的封闭的第二部分；
将在其上具有第一涂层的第二端塞(16)加热到钎焊材料(30)的熔融温度以上的温度，从而至少部分熔化钎焊材料(30)；
冷却其上具有第一涂层的第二端塞(16)，以形成第二端塞和包壳(22)之间的第一密封体；和
在第二端塞(16)的顶表面上和在包壳(22)的至少一部分上沉积包括SiC的第二涂层(42)以在包壳(22)上形成第二密封体。
2.如权利要求1的方法，还包括在第二端塞(16)中形成开口(40)，以允许气体通入到空腔中。
3.如权利要求2的方法，还包括用钎焊材料(30)填充开口(40)。
4.根据权利要求1的方法，其中第一端塞(16)的密封包括：
在第一端塞(16)的外表面的至少一部分上沉积钎焊材料(30)，以在其上形成第一涂层；
将在其上具有第一涂层的第一端塞(16)插入到包壳(22)的第一开放端，
其中，第一端塞的底表面定位在空腔的一部分中且顶表面形成包壳(22)的封闭的第二端；
将在其上具有第一涂层的第一端塞(16)加热到钎焊材料(30)的熔融温度以上的温度，从而至少部分熔化钎焊材料(30)；
冷却其上具有第一涂层的第一端塞(16)，以形成第一端塞(16)和包壳(22)之间的第一密封体；和
在第二端塞(16)的顶表面上和在包壳(22)的至少一部分上沉积包括SiC的第二涂层(42)以在包壳(22)上形成第二密封体。
5.密封用于核水反应堆的核燃料棒包壳(22)的开放端的方法，该包壳(22)由包括碳化硅的材料构成，具有第一开放端和第二开放端、内部空腔、内径(34)和设置在内部空腔中的核燃料(20)，包括：
提供核燃料棒包壳(22)、第一端塞(16)、第二端塞(16)和钎焊组合物(30)；
将钎焊组合物(30)施加于第一端塞(16)和第二端塞(16)的至少一部分；
将热施加于钎焊组合物(30)以形成涂层；和
将具有涂层的第一端塞(16)插入第一开放端和将具有涂层的第二端塞(16)插入到核燃料包壳(20)的第二开放端，第一和第二端塞(16)各包括顶表面、底表面、其间延伸的长度，该底部表面定位在内部空腔内和顶表面形成包壳(22)的第一封闭端和第二封闭端，其中第一端塞(16)和第二端塞(16)各自具有外径(32)，该外径(32)比包壳(22)的内径(34)小，使得在其间形成空间，并且施加在第一和第二端塞(16)上的涂层使得该涂层至少部分地填充该空间的一部分。
6.根据权利要求5的方法，还包括将含SiC的组合物施加于分别插入在第一和第二开放端中的第一和第二端塞(16)中的每个的顶表面，和包壳(22)的至少一部分，以在其上形成第二涂层(42)和提供第二密封体。
7.用于核水反应堆的管状陶瓷复合材料包壳(22)，该包壳(22)由包括碳化硅的材料组成，具有第一开放端和第二开放端、内部空腔、内径(34)和置于内部空腔中的核燃料(20)，该包壳包括：
第一端塞(16)和第二端塞(16)；
钎焊组合物(30)，其施加于第一端塞(16)和第二端塞(16)的至少一部分；
在第一端塞和第二端塞(16)的每个上的第一涂层，其通过向钎焊组合物(30)施加热而形成；
含SiC的组合物，其施加于包壳(22)的至少一部分和插入第一和第二开放端中的第一和第二端塞(16)的每个的顶表面上，使得第一和第二端塞(16)的每个的顶表面分别形成第一和第二封闭端；和
通过在第一和第二端塞(16)的每个的顶表面和包壳(22)的至少一部分上的含SiC的组合物形成的第二涂层(42)。
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