CN115171920A - 一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固有安全的核燃料用双层复合包壳管、燃料棒及制备方法，包括设置在内层的内管和复合在所述内管外层的外管，所述内管采用SiC复合材料，所述外管采用FeCrAl基合金或NiCr基合金。本发明的双层复合包壳管，具有优异的耐高温水蒸气氧化性能、耐水侧腐蚀性能和较好的高温强度，在正常工况下抗水侧腐蚀性能要优于传统的锆合金包壳和单一的SiC复合包壳，使燃料能够使用更长的寿期、更高的燃耗或更高的温度；同时在严重事故工况下，提高了包壳材料的高温力学性能，在超高温度下(约1200℃)可确保燃料棒的结构完整性，可提高燃料棒抗LOCA事故的能力。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料技术领域，具体而言，涉及一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法。
背景技术
针对核安全提出开展耐事故燃料(ATF，Accident Tolerant Fuel)研究，以提高核燃料抵御严重事故的能力，从而减小反应堆发生严重事故的概率、缓解严重事故后果、进一步提高反应堆的安全性。
SiC包壳具有硬度高、耐磨损性好、抗热冲击性好、热导率大以及超过1200℃的力学强度高(断裂超过140MPa)、抗水蒸气氧化性能好的优良特性，并且具有较小的中子吸收截面，低的固有活性和衰变热，以及具有非常好的辐照尺寸稳定性，使其适用于核反应堆燃料包壳，在严重事故发生时由于其力学强度高(断裂超过140MPa)、抗水蒸气氧化性能好的特点，有利于维持燃料组件可冷却的几何形状。然而，最新的研究数据表明，SiC在300℃-360℃的高温高压水中，表现为腐蚀失重，Si元素会溶解到水中，若大量用在轻水堆中作为燃料包壳，会引起一回路冷却剂中Si元素升高，若超过Si元素的限值，则会对反应堆运行造成不利影响。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法，通过FeCrAl基合金管或NiCr基合金管能够使SiC层避免直接接触高温高压水，从而有效避免轻水堆一回路冷却剂中Si元素因SiC腐蚀溶解的快速上升现象，使冷却剂中Si元素的含量保持在安全限值以下；同时提高了包壳材料的高温强度，采用SiC复合材料管能够使包壳材料维持自身形状，不发生失效，保证冷却剂流道通畅，使反应堆具有一定的固有安全特性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核燃料用双层复合包壳管，包括设置在内层的内管和复合在所述内管外层的外管，所述内管采用SiC复合材料，所述外管采用FeCrAl基合金或NiCr基合金。
本发明的双层复合包壳管，具有优异的耐高温水蒸气氧化性能、耐水侧腐蚀性能和较好的高温强度，在正常工况下抗水侧腐蚀性能要优于传统的锆合金包壳和单一的SiC复合包壳，使燃料能够使用更长的寿期、更高的燃耗或更高的温度；同时在严重事故工况下，提高了包壳材料的高温力学性能，在超高温度下(约1200℃)可确保燃料棒的结构完整性，可提高燃料棒抗LOCA(Loss Of Coolant Accident，冷却剂丧失事故)的能力。
首先，本发明的SiC内管、FeCrAl基合金或NiCr基合金外管均具有优良的抗高温水蒸气氧化的性能，在1200℃高温环境下氧化速率仅为锆合金的十分之一甚至更低，避免出现锆合金包壳管在高温下发生由于快速氧化而导致产生大量可燃性氢气的问题，因此相较于传统的锆合金包壳管，本发明复合包壳管可以提高燃料棒包壳管的安全性能；其次，本发明FeCrAl 合金或NiCr基合金在300℃-360℃的正常工况长期运行下具有优良的抗水腐蚀性能，能够避免SiC复合材料在轻水堆水环境中过快的腐蚀，因此相较于单一的SiC复合包壳管，本发明复合包壳管可以提高单一的SiC复合包壳管燃料棒的耐水侧腐蚀性能；再次，本发明复合包壳管，内层SiC复合材料管具有高温强度大、抗热冲击性好等有点，由SiC复合材料管和 FeCrAl合金管或NiCr基合金管复合而成的复合包壳管的高温强度、抗热冲击也明显优于锆合金管材；最后，本发明内管SiC复合材料管的热导率高，同时外管FeCrAl合金管或NiCr 基合金管也是一种较为成熟的高温耐热合金，因此本发明复合包壳管具有优异的高温性能。
另一种具体实施方式，所述内管的厚度为0.3～0.9mm，所述外管的厚度为0.1～1.0mm。
另一种具体实施方式，所述内管的外壁在无载荷时与所述外管的内壁紧密贴合。
另一种具体实施方式，所述内管为SiC纤维编织而成的复合材料管。
另一种具体实施方式，所述外管为FeCrAl合金管或含有Nb、Ta、Mo、Ti、V、Ta、Y 的一种或多种元素的FeCrAl基合金管。
另一种具体实施方式，所述外管为NiCr合金管或含有Nb、Ta、Mo、Ti、Al、V的一种或多种元素的NiCr基合金管。
另一种具体实施方式，所述外管为铁素体不锈钢或氧化物弥散强化钢，，或者NiCr基合金或氧化物弥散强化NiCr基合金。
本发明还提供一种核燃料，包括若干燃料元件，所述燃料元件包括燃料芯体和双层复合包壳管，所述双层复合包壳管包括设置在内层的内管和复合在所述内管外层的外管，所述内管采用SiC复合材料，所述外管采用FeCrAl基合金或NiCr基合金。
本发明还提供一种核燃料用双层复合包壳管的制备方法，包括以下步骤：
S1，内管制备：
S101，取SiC长纤维编织形成片状纤维编织体，编织角度可为0°、30°、45°和90°，纤维的体积分数为30-50％；
S102，将呈二维片状结构的SiC纤维编织体浸渍在SiC浆料中，并抽真空处理，然后平铺于流延机上干燥，重复浸渍和干燥流程，直至SiC纤维编织体整体质量不再发生变化，得到SiC纤维编织体生带；
S103，将SiC纤维编织体生带缠绕在棒状实芯钢表面；
S104，进行冷等静压处理，等静压的压力为80-200MPa，保压时间为50-100s；
S105，将等静压后的生坯从钢芯上脱下，获得具有固定结构的SiC复合材料内管；
S2，外管制备：
S201，通过真空感应炉熔炼成铸锭，然后利用机械合金化法制得ODS-FeCrAl或ODS-NiCr 合金粉末；
S202，利用热等静压工艺实现ODS-FeCrAl或ODS-NiCr合金化；
S203，将合金锻造成棒材，经过退火热处理后，采用穿孔工艺制成FeCrAl或NiCr基合金管坯，将管坯经过酸洗、冷轧、固溶热处理、成品冷拉、较直、成品酸洗、内表面喷砂、外表面抛磨得到FeCrAl基合金或NiCr基合金外管；
S3，压缩SiC复合材料内管装入FeCrAl基合金或NiCr基合金外管内；
S4，使所述外管与所述内管紧密结合。
另一种具体实施方式，S101中，纤维编织体厚度为0.3-0.9mm，编织角度为0°、30°、45°或90°，纤维的体积分数为30-50％。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实施例提供的一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法，采用的SiC 内管、FeCrAl基合金或NiCr基合金外管均具有优良的抗高温水蒸气氧化的性能，在1200℃高温环境下氧化速率仅为锆合金的十分之一甚至更低，避免出现锆合金包壳管在高温下发生由于快速氧化而导致产生大量可燃性氢气的问题，提高了燃料棒包壳管的安全性能；
2、本发明实施例提供的一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法，FeCrAl合金或NiCr基合金在300℃-360℃的正常工况长期运行下具有优良的抗水腐蚀性能，能够避免 SiC复合材料在轻水堆水环境中过快的腐蚀，提高了单一的SiC复合包壳管燃料棒的耐水侧腐蚀性能；
3、本发明实施例提供的一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法，内层SiC复合材料管具有高温强度大、抗热冲击性好等有点，由SiC复合材料管和FeCrAl合金管或NiCr 基合金管复合而成的复合包壳管的高温强度、抗热冲击性也明显得到提高；
4、本发明实施例提供的一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法，内管SiC复合材料管的热导率高，同时外层FeCrAl合金管或NiCr基合金管也是成熟的高温耐热合金，因此本发明复合包壳管具有优异的高温性能；
5、本发明实施例提供的一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法，可适用于设计和制备第二代、第三代核电站的核燃料，以及具有更高安全性和经济型的新一代核反应堆系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的复合包壳管的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的SiC复合材料内管实物图；
图3为本发明实施例提供的FeCrAl铁素体不锈钢外管实物图；
图4为本发明实施例提供SiC复合材料管和FeCrAl铁素体不锈钢管与锆合金管的耐腐蚀性能对比图。
附图标记及对应零部件名称：
1-内管，2-外管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种核燃料用双层复合包壳管，包括设置在内层的内管1和复合在所述内管外层的外管2，所述内管1采用SiC复合材料，所述外管2采用FeCrAl基合金或NiCr基合金。
本发明的双层复合包壳管，形成具有双层结构的陶瓷-金属复合管，具有优异的耐高温水蒸气氧化性能、耐水侧腐蚀性能和较好的高温强度，在正常工况下抗水侧腐蚀性能要优于传统的锆合金包壳和单一的SiC复合包壳，使燃料能够使用更长的寿期、更高的燃耗或更高的温度；同时在严重事故工况下，提高了包壳材料的高温力学性能，在超高温度下(约1200℃) 可确保燃料棒的结构完整性，可提高燃料棒抗LOCA事故的能力。
首先，本发明的SiC内管、FeCrAl基合金或NiCr基合金外管均具有优良的抗高温水蒸气氧化的性能，在1200℃高温环境下氧化速率仅为锆合金的十分之一甚至更低，避免出现锆合金包壳管在高温下发生由于快速氧化而导致产生大量可燃性氢气的问题，因此相较于传统的锆合金包壳管，本发明复合包壳管可以提高燃料棒包壳管的安全性能；其次，本发明FeCrAl 合金或NiCr基合金在300℃-360℃的正常工况长期运行下具有优良的抗水腐蚀性能，能够避免SiC复合材料在轻水堆水环境中过快的腐蚀，因此相较于单一的SiC复合包壳管，本发明复合包壳管可以提高单一的SiC复合包壳管燃料棒的耐水侧腐蚀性能；再次，本发明复合包壳管，内层SiC复合材料管具有高温强度大、抗热冲击性好等有点，由SiC复合材料管和 FeCrAl合金管或NiCr基合金管复合而成的复合包壳管的高温强度、抗热冲击也明显优于锆合金管材；最后，本发明内管SiC复合材料管的热导率高，同时外管FeCrAl合金管或NiCr 基合金管也是一种较为成熟的高温耐热合金，因此本发明复合包壳管具有优异的高温性能。
作为优选的，所述内管的厚度为0.3～0.9mm，所述外管的厚度为0.1～1.0mm。
作为优选的，所述内管的外壁在无载荷时与所述外管的内壁紧密贴合。
作为优选的，所述内管为SiC纤维编织而成的复合材料管。
作为优选的，所述外管为FeCrAl合金管或含有Nb、Ta、Mo、Ti、V、Ta、Y的一种或多种元素的FeCrAl基合金管。
作为优选的，所述外管为NiCr合金管或含有Nb、Ta、Mo、Ti、Al、V的一种或多种元素的NiCr基合金管。
作为优选的，所述外管为铁素体不锈钢或氧化物弥散强化钢，或者NiCr基合金或氧化物弥散强化NiCr基合金。
本发明实施例还提供一种核燃料，包括若干燃料元件，所述燃料元件包括燃料芯体和双层复合包壳管，所述双层复合包壳管包括设置在内层的内管和复合在所述内管外层的外管，所述内管采用SiC复合材料，所述外管采用FeCrAl基合金或NiCr基合金。
其中，图2为内管的实物图，该图在拍摄时放置了尺子一同拍摄，并不会对内管的结构造成不清楚的情况。
实施例2
本发明实施例提供一种核燃料用双层复合包壳管的制备方法，包括以下步骤：
S1，内管制备：采用编织成型结合冷等静压工艺制备壁厚0.3mm，外径9.2mm的SiC复合材料管，具体如下：
S101，取SiC长纤维编织形成片状纤维编织体，编织体的厚度为0.3-0.9mm，编织角度为0°、30°、45°或90°，纤维的体积分数为30-50％；
S102，将呈二维片状结构的SiC纤维编织体浸渍在SiC浆料中，并抽真空处理，然后平铺于流延机上干燥，重复浸渍和干燥流程，直至SiC纤维编织体整体质量不再发生变化，得到SiC纤维编织体生带；
S103，将SiC纤维编织体生带缠绕在棒状实芯钢表面；
S104，进行冷等静压处理，等静压的压力为80-200MPa，保压时间为50-100S；
S105，将等静压后的生坯从钢芯上脱下，获得具有固定结构的SiC复合材料内管；
S2，外管制备：采用FeCrAl基合金或NiCr基合金制备外管，具体如下：
S201，通过真空感应炉熔炼成铸锭，然后利用机械合金化法制得ODS-FeCrAl或ODS-NiCr 合金粉末；
S202，利用热等静压工艺实现ODS-FeCrAl或ODS-NiCr合金化；
S203，将合金锻造成棒材，经过退火热处理后，采用穿孔工艺制成FeCrAl或NiCr基合金管坯，将管坯酸洗之后通过多次冷轧加道次固溶热处理工艺减少管坯的直径和/或壁厚，最后进行成品冷拉、较直、成品酸洗、内表面喷砂、外表面抛磨等工序，将FeCrAl合金或NiCr 基合金制成外径9.5mm，壁厚0.35mm的不锈钢管；
S3，将两种管坯进行机加工和表面清洗，使接触面保持清洁，压缩SiC复合材料内管使之装入FeCrAl基合金或NiCr基合金外管内；
S4，通过水压或气压使所述外管发生压缩变形，使所述外管与所述内管紧密结合，或者也可以采用化学气相渗透法将所述内管与外管紧密结合，提高了管材的致密度与热导率，还将内管与外管物理性的连接成一体，获得复合包壳管。
以现有的锆合金包壳管作为比较例，如图4所示，在正常工况300℃-360℃的水环境下，本发明的包壳管外层的FeCrAl合金管或NiCr基合金管具有优异的耐腐蚀性，而在严重事故失去有效冷却时，SiC内管、FeCrAl基合金或NiCr基合金外管均具有优良的抗高温水蒸气氧化的性能，在1200℃高温环境下氧化速率仅为锆合金的十分之一甚至更低，能够避免出现锆合金包壳管在高温下发生由于快速氧化而导致产生大量可燃性氢气的问题；同时，所述内管的SiC复合材料管具有高温强度大、抗热冲击性好等特点，具体见不同包壳管性能数据表1；同时所述内管SiC也具有更优良的高温力学性能，使得由SiC复合材料管和FeCrAl合金管或 NiCr基合金管复合而成的复合包壳管管的高温强度明显要优于锆合金包壳管。
表1不同包壳管材料性能数据
综上，与锆合金包壳管或者单一的SiC复合材料包壳管相比，本发明的复合包壳管具有更为优异的抗水蒸气氧化性能和较强的高温强度，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力，适用于核反应堆较高燃耗下或较高温度下的燃料棒包壳管。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，包括设置在内层的内管(1)和复合在所述内管(1)外层的外管(2)，所述内管(1)采用SiC复合材料，所述外管(2)采用FeCrAl基合金或NiCr基合金。
2.根据权利要求1所述的一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，所述内管(1)的厚度为0.3～0.9mm，所述外管(2)的厚度为0.1～1.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，所述内管(1)的外壁在无载荷时与所述外管(2)的内壁紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，所述内管(1)为SiC纤维编织而成的复合材料管。
5.根据权利要求1所述的一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，所述外管(2)为FeCrAl合金管或含有Nb、Ta、Mo、Ti、V、Ta、Y的一种或多种元素的FeCrAl基合金管。
6.根据权利要求1所述的一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，所述外管(2)为NiCr合金管或含有Nb、Ta、Mo、Ti、Al、V的一种或多种元素的NiCr基合金管。
7.根据权利要求1所述的一种核燃料用双层复合包壳管，其特征在于，所述外管(2)为铁素体不锈钢或氧化物弥散强化钢，或者NiCr基合金或氧化物弥散强化NiCr基合金。
8.一种核燃料，其特征在于，包括若干燃料元件，所述燃料元件包括燃料芯体和权利要求1-7任一所述双层复合包壳管。
9.一种如权利要求1-7任一所述核燃料用双层复合包壳管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，内管制备：
S101，取SiC长纤维编织形成片状纤维编织体，编织角度可为0°、30°、45°和90°，纤维的体积分数为30-50％；
S102，将呈二维片状结构的SiC纤维编织体浸渍在SiC浆料中，并抽真空处理，然后平铺于流延机上干燥，重复浸渍和干燥流程，直至SiC纤维编织体整体质量不再发生变化，得到SiC纤维编织体生带；
S103，将SiC纤维编织体生带缠绕在棒状实芯钢表面；
S104，进行冷等静压处理，等静压的压力为80-200MPa，保压时间为50-100s；
S105，将等静压后的生坯从钢芯上脱下，获得具有固定结构的SiC复合材料内管；
S2，外管制备：
S201，通过真空感应炉熔炼成铸锭，然后利用机械合金化法制得ODS-FeCrAl或ODS-NiCr合金粉末；
S202，利用热等静压工艺实现ODS-FeCrAl或ODS-NiCr合金化；
S203，将合金锻造成棒材，经过退火热处理后，采用穿孔工艺制成FeCrAl或NiCr基合金管坯，将管坯经过酸洗、冷轧、固溶热处理、成品冷拉、较直、成品酸洗、内表面喷砂、外表面抛磨得到FeCrAl基合金或NiCr基合金外管；
S3，压缩SiC复合材料内管装入FeCrAl基合金或NiCr基合金外管内；
S4，使所述外管与所述内管紧密结合。
10.根据权利要求9所述的核燃料用双层复合包壳管的制备方法，其特征在于，S101中，纤维编织体厚度为0.3-0.9mm，编织角度为0°、30°、45°或90°，纤维的体积分数为30-50％。
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