CN106997787A - 一种高温气冷堆同轴型电气贯穿件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于核反应堆技术领域的一种高温气冷堆同轴型电气贯穿件及其制备方法。所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件，由内金属导体、内绝缘玻璃层、内屏蔽金属层、外绝缘玻璃层和外屏蔽金属层封接而成。制备方法为：先制备得到内、外绝缘玻璃层预成型坯体，然后将经过预处理的内金属导体、内绝缘玻璃层预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘玻璃层预成型坯体和外屏蔽金属用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同轴型电气贯穿件。本发明采用无机玻璃作为关键的绝缘密封材料，从外到内的热膨胀系数依次递减，从而实现压缩封接。制备得到的同轴型电气贯穿件，其耐气压性、密封性等特性均都得到了明显改善。

Description

一种高温气冷堆同轴型电气贯穿件及其制备方法
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，特别涉及一种高温气冷堆同轴型电气贯穿件及其制备方法。
背景技术
高温气冷堆是第四代核能系统的代表性堆型，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，高温气冷堆可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，保证燃料最高温度不超过限值，从技术上避免了类似堆芯熔化严重事故的发生，因此，相比传统的压水堆核电站，其固有安全性特征明显。
电气贯穿件是贯穿核电站压力壳和安全壳的关键设备，为反应堆内各种用电设备输送电能或控制信号，同时保证核反应堆的密封，对确保高温气冷堆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。高温气冷堆一回路中密封的热传递介质为高温、高压的纯氦气，较压水堆的水蒸汽而言对电气贯穿件的耐高温、耐气密、耐老化等要求更高，制造技术难度也更大。
在高温气冷堆吸收球料位的测量中，对射频导纳信号的测量需要使用同轴电缆。同轴型电气贯穿件是这些同轴电缆信号贯穿高温气冷堆压力壳的一种馈通手段。其功能除了要高质量传输这些高频信号之外，更重要的是实现核反应堆的密封性。
现有同轴型电气贯穿件一般由内导体、内绝缘层、内屏蔽层、外绝缘层、外屏蔽层组成。其中绝缘材料主要采用有机物，包括聚砜、聚醚醚酮和聚酰亚胺等。这些材料都不能完全满足高温气冷堆压力壳电气贯穿件耐高温、耐高气压、耐辐照等的要求。这些有机物在高温、强辐照等使用条件下，其电绝缘及机械性能会显著降低，容易存在安全隐患，因此会影响产品的使用寿命。
因此，采用传统有机物作为绝缘材料的同轴型电气贯穿件无法满足高温气冷堆设计要求。而无机玻璃具有很好的耐高温性能和电绝缘特性，是作为电气贯穿件绝缘材料的绝佳选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温气冷堆同轴型电气贯穿件及其制备方法，其特征在于，所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件由内金属导体1、内绝缘玻璃层2、内屏蔽金属层3、外绝缘玻璃层4和外屏蔽金属层5封接而成。
所述内金属导体为可伐合金。
所述内绝缘玻璃层为热膨胀系数5-6×10-6/K的无机玻璃。
所述内屏蔽金属为4J43或4J45合金。
所述外绝缘玻璃层为热膨胀系数8-9×10-6/K的无机玻璃。
所述外屏蔽金属为10号钢、30CrMnSiA合金结构钢或16Mn钢。
所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件的制备方法，包括以下步骤：
(1)内绝缘玻璃层预成型坯体，将满足内绝缘玻璃层要求的一定量的玻璃粉中加入石蜡，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，再经过排蜡玻化后得到内绝缘玻璃层的成型坯体；
(2)外绝缘玻璃层预成型坯体，将满足外绝缘玻璃层要求的一定量的玻璃粉加入石蜡，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，再经过排蜡玻化后，得到外绝缘玻璃层的成型坯体；
(3)将经过预处理的内金属导体、内绝缘玻璃层预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘玻璃层预成型坯体和外屏蔽金属用烧结夹具组装在一起，并放入气氛炉中封接，得到所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件。
所述步骤(1)中，内绝缘玻璃层用玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 50～70％，B2O3 10～20％，Na2O 3～8％，K2O 3～8％，ZnO 0～6％，BaO 2～8％，Sb2O3 0～3％，余量为Al2O3。
所述步骤(2)中，玻璃粉体的各组分及重量百分比为：SiO2 40～50％，B2O3 3～10％，Al2O3 1～5％，La2O3 1～5％，Li2O 1～3％，Na2O 3～7％，P2O5 2～6％，BaO 35～45％，TiO2 3～7％，WO3 1～2％。
所述步骤(1)和(2)中，玻璃粉体与石蜡的质量比为20：1。
所述步骤(1)和(2)中，加热温度为成型压力为10MPa，排蜡玻化条件为：保温小时。
所述步骤(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960-1000℃温度下进行封接，保温时间为30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。
本发明的有益效果是采用无机玻璃作为关键的绝缘密封材料，从外屏蔽金属层、外绝缘玻璃层、内屏蔽金属层、内绝缘玻璃层、内金属导体的热膨胀系数依次递减，从而实现压缩封接。制备得到的同轴型电气贯穿件，其耐气压性、密封性等特性均都得到了明显改善。
附图说明
图1是高温气冷堆同轴型电气贯穿件的剖面图；
图中各编号的具体含义为：1-内金属导体，2-内绝缘玻璃层，3-内屏蔽金属层，4-外绝缘玻璃层，5-外屏蔽金属层。
图2是高温气冷堆同轴型电气贯穿件中，内金属导体与内绝缘玻璃高温封接后的界面扫描电镜图；
图3是高温气冷堆同轴型电气贯穿件中，外屏蔽金属层与外绝缘玻璃层高温封接后的界面扫描电镜图；
具体实施方式
本发明提供的高温气冷堆同轴型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)将满足内绝缘玻璃层要求的玻璃粉以20:1的质量比加入石蜡，在95℃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，得到内绝缘玻璃层的预成型坯体。
玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 63％，B2O3 12％，Al2O3 5％，Na2O 4％，K2O6％，ZnO 2％，BaO 6％，Sb2O3 2％。
(2)将满足外绝缘玻璃层要求的玻璃粉以20:1的质量比加入石蜡，在95℃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。
玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 46％，B2O3 3％，Al2O3 2％，La2O3 1％，Li2O2.5％，Na2O 3％，BaO 36％，P2O5 2％,TiO2 4％，WO3 0.5％。
(3)将经过预处理的内金属导体、内绝缘玻璃层预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘玻璃层预成型坯体和外屏蔽金属用烧结夹具组装在一起，并放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，在960℃进行封接，保温时间为30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同轴型电气贯穿件(如图1、图2、图3所示)；测试结果如表1所示。
实施例2-3中，步骤(3)中封接时的温度依次为980℃、1000℃，其他条件均与实施例1相同。
表1 实施例1-3制备的电气贯穿件样件的性能测试结果
实施例
(1)将满足内绝缘玻璃层要求的玻璃粉以20:1的质量比加入石蜡，在100℃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，得到内绝缘玻璃层的预成型坯体。
玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 65％，B2O3 10％，Al2O3 4％，Na2O 6％，K2O5％，ZnO 3％，BaO 7％。
(2)将满足外绝缘玻璃层要求的玻璃粉以20:1的质量比加入石蜡，在100℃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。
玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 46％，B2O34％，Al2O3 1％，La2O3 1％，Li2O1.5％，Na2O 3％，BaO 34％，P2O5 5％,TiO2 3％，WO3 1.5％。
(3)将经过预处理的内金属导体、内绝缘玻璃层预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘玻璃层预成型坯体和外屏蔽金属用烧结夹具组装在一起，并放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，在960℃进行封接，保温时间为30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同轴型电气贯穿件。测试结果如表2所示。
实施例5-6中，步骤(3)中封接时的温度依次为980℃、1000℃，其他条件均与实施例4相同。
表2 实施例4-6制备的电气贯穿件样件的性能测试结果
实施例7-9
(1)将满足内绝缘玻璃层要求的玻璃粉以20:1的质量比加入石蜡，在106℃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，得到内绝缘玻璃层的预成型坯体。
玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 62％，B2O3 15％，Al2O3 6％，Na2O35％，K2O53％，BaO 7％，Sb2O32％。
(2)将满足外绝缘玻璃层要求的玻璃粉以20:1的质量比加入石蜡，在106℃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。
玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 43％，B2O3 4％，Al2O3 2％，La2O3 1％，Li2O2％，Na2O 3％，P2O5 4％,BaO 35％，TiO2 5％，WO3 1％。
(3)将经过预处理的内金属导体、内绝缘玻璃层预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘玻璃层预成型坯体和外屏蔽金属用烧结夹具组装在一起，并放入气氛炉中，并通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率进行升温，在960℃进行封接，保温时间为30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同轴型电气贯穿件；测试结果如表3所示。
实施例8-9中，步骤(3)中封接时的温度依次为980℃、1000℃，其他条件均与实施例7相同。
表3 实施例7-9制备的电气贯穿件样件的性能测试结果
通过表1、表2和表3可知，我们通过采用不同的玻璃配方，先制备得到玻璃预成型坯体，然后将经过预处理的内金属导体、内绝缘层玻璃预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘层玻璃预成型坯体、和外屏蔽金属的组合件、烧结夹具组装在一起，放入气氛炉中在960℃、980℃、1000℃封接，保温时间为30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，获得了高耐压、高气密性的高温气冷堆同轴型电气贯穿件。

Claims (10)

1.一种高温气冷堆同轴型电气贯穿件，其特征在于，由内金属导体(1)、内绝缘玻璃层(2)、内屏蔽金属层(3)、外绝缘玻璃层(4)和外屏蔽金属层(5)封接而成。
2.根据权利要求1所述的高温气冷堆同轴型电气贯穿件，其特征在于，所述内金属导体为可伐合金。
3.根据权利要求1所述的高温气冷堆同轴型电气贯穿件，其特征在于，所述内绝缘玻璃为热膨胀系数为5-6×10-6/K的无机玻璃。
4.根据权利要求1所述的高温气冷堆同轴型电气贯穿件，其特征在于，所述内屏蔽金属为4J43或4J45合金。
5.根据权利要求1所述的高温气冷堆同轴型电气贯穿件，其特征在于，所述外绝缘玻璃为热膨胀系数为8-9×10-6/K的无机玻璃。
6.根据权利要求1所述的高温气冷堆同轴型电气贯穿件，其特征在于，所述外屏蔽金属为10号钢、30CrMnSiA合金结构钢或16Mn钢。
7.根据权利要求1所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)内绝缘层玻璃层预成型坯体，将满足内绝缘玻璃层要求的一定量的玻璃粉中加入石蜡，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，再经过排蜡玻化后得到内绝缘玻璃层的成型坯体；
(2)外绝缘玻璃层预成型坯体，将满足外绝缘玻璃层要求的一定量的玻璃粉加入石蜡，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，再经过排蜡玻化后，得到外绝缘玻璃层的成型坯体；
(3)将经过预处理的内金属导体、内绝缘玻璃层预成型坯体、内屏蔽金属、外绝缘玻璃层预成型坯体和外屏蔽金属用烧结夹具组装在一起，并放入气氛炉中封接，封接条件为：通入高纯氮气，以每分钟5℃的升温速率升温，在960-1000℃温度下进行封接，保温时间为30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；得到所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件。
8.根据权利要求7所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，玻璃粉体的各组分及重量百分比为：SiO2 50～70％，B2O3 10～20％，Na2O 3～8％，K2O 3～8％，ZnO 0～6％，BaO 2～8％，Sb2O3 0～3％,余量为Al2O3。
9.根据权利要求7所述高温气冷堆同轴型电气贯穿件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，玻璃粉的各组分及重量百分比为：SiO2 40～50％，B2O3 3～10％，Al2O3 1～5％，La2O3 1～5％，Li2O 1～3％，Na2O 3～7％，P2O5 2～6％，BaO 35～45％，TiO2 3～7％，WO3 1～2％。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中，玻璃粉与石蜡的质量比为20：1；加热温度为排蜡玻化条件为： 保温小时。
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