CN207676665U

CN207676665U - 一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳

Info

Publication number: CN207676665U
Application number: CN201721563548.2U
Authority: CN
Inventors: 盛选禹; 雒建斌; 刘大猛; 王亮君
Original assignee: Tianjin Institute of Advanced Equipment of Tsinghua University
Current assignee: Tianjin Institute of Advanced Equipment of Tsinghua University
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2027-11-21

Abstract

本实用新型提供了一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，包括包壳基体，所述包壳基体外表面设有陶瓷纳米涂层，陶瓷纳米涂层外表面设有若干凹槽或盲孔。本实用新型所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，将其用于核电站压水堆燃料棒，可防止锆合金材料在高温下与冷却剂水接触，同时又具有良好的导热效果，将燃料裂变产生的热量传给一回路冷却水。

Description

一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳

技术领域

本实用新型属于核设备领域，尤其是涉及一种核电站压水堆用陶瓷纳米涂层燃料包壳。

背景技术

核燃料包壳是核燃料的密封外壳，是核电站的第二道安全屏障。其作用是包容裂变产物，防止裂变产物外泄，同时包壳是燃料和冷却剂之间的隔离屏障，能避免燃料与冷却剂发生反应。在堆芯结构材料中，包壳材料的工况最苛刻，要求能够承受高温、高压、大的温度梯度和强中子辐照，因此在压水堆中常选用锆合金包壳材料。核电站发生事故时，反应堆压力容器的冷却水的水位下降，燃料包壳的温度升高，当温度升高到900℃以上时，锆合金与水发生锆水反应，生成氧化锆和氢气。由于金属锆与水的反应是放热反应，从而使得温度继续升高，在1850℃锆合金开始融化，同时化学反应产生大量氢气，可能导致反应堆爆炸等严重事故，造成整个安全壳的破裂，大量的放射性物质泄漏。

发明内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，以克服现有技术的缺陷，将其用于核电站压水堆燃料棒，可防止锆合金材料在高温下与冷却剂水接触，同时又具有良好的导热效果，将燃料裂变产生的热量传给一回路冷却水。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，包括包壳基体，所述包壳基体外表面设有陶瓷纳米涂层，陶瓷纳米涂层外表面设有若干凹槽或盲孔。

在普通的压水反应堆内，是高温高压的液体水作为冷却剂，燃料元件泡在水中，所以包壳基体是与高温高压的水有接触的。核反应是在包壳基体内的核材料进行的，核反应产生的热量，需要传递到包壳基体外，把水加热，然后通过循环，把热量带出去，发电。如果包壳基体外表面直接加上一层陶瓷纳米涂层，由于陶瓷的导热效果不好，会影响包壳基体的导热，影响包壳基体内核反应产生的热量导出到包壳基体外。因此，如果在陶瓷纳米涂层上增设若干凹槽或盲孔，就会在设有凹槽或盲孔位置增加传热，提高传热性能。

进一步的，所述陶瓷纳米涂层的材质为SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷和SiO₂陶瓷中的一种。

进一步的，所述陶瓷纳米涂层的材质为含有Si和/或Al元素的化合物；优选的，所述陶瓷纳米涂层的材质为SiCf/SiC复合材料、纯SiC材料、SiC与金属复合材料、Ti₃AlC₂、Ti₃SiC₂和SiC基陶瓷复合材料(CMCs)中的一种。

SiCf/SiC复合材料、SiC与金属复合材料、SiC基陶瓷复合材料这些，会因SiCf、SiC比例不同，而影响材料性能。陶瓷成分含量越高，导热系数越小，导热越差。反之，金属成分含量高，导热效果就会好，但是防止锆水反应的效果就差。

SiC与金属复合，金属材料必须是锆、铌合金材料。本身包壳材料就是锆和铌的合金，一般不引入其他金属材料。另外在做SiC与金属复合材料时，一般也会分层，内层金属比例高，外层陶瓷比例高。

进一步的，所述纳米涂层形成于包壳基体外表面的方法为溅射、浸镀、化学气相沉积、物理气相沉积、热等静压、冷等静压、压模、浇注、压实和烧结、等离子喷涂和热喷涂中的一种或两种以上；若干凹槽或盲孔形成与陶瓷纳米涂层外表面的方法为高能激光刻蚀。高能激光刻蚀方法，也即激光纳米加工方法。

进一步的，所述包壳基体的材质为锆合金材料；陶瓷纳米涂层的厚度为20-200nm。

进一步的，若干凹槽或盲孔的深度为陶瓷纳米涂层厚度的1/40～1/2，且若干凹槽或盲孔的深度大于等于5nm,若干凹槽或盲孔的深度小于100nm。厚度低于5nm，非常难做到。即使做到了，结构可能强度不高，性能不稳定，无法使用。

进一步的，若干凹槽以间隙交错的形式分布在陶瓷纳米涂层的外表面。

进一步的，若干凹槽相互之间平行设置。若干凹槽间隙交错结构中各凹槽之间不一定相互平行，只是将各凹槽设置成相互平行形式的容易加工，激光器的位置不用调整和变化，可提高工作效率。

进一步的，若干凹槽两两呈“十”字交叉结构且间隔分布在陶瓷纳米涂层的外表面。

进一步的，若干凹槽的截面均为矩形、三角形或曲面形状中的一种。凹槽的形状不局限于以上几种，只要是通过数字化控制激光器可形成的结构即可。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳具有以下优势：

(1)本实用新型所述的一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，将其用于核电站压水堆燃料棒，由于包壳基体材质采用锆合金材料，并在包壳基体外表面增设陶瓷纳米涂层，可以防止锆合金材料包壳基体在高温下与冷却剂水接触，发生化学反应生成氢气，避免了反应堆爆炸等严重事故的发生，提高了设计的安全性；此外，由于在陶瓷纳米涂层外表面设置了若干凹槽或盲孔，可以使本实用新型所述的陶瓷纳米涂层包壳具有良好的导热效果—导热效果至少可以增加2-3倍，不会导致包壳内的核燃料有较大的温升，保证反应堆的正常进行。

(2)本实用新型所述的一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，将陶瓷纳米涂层外表面的若干凹槽设置成间隙交错布置结构或“十”字交叉结构，以在陶瓷纳米涂层表面形成特殊形貌，而在有表面特殊形貌的位置，陶瓷纳米涂层厚度减小了，而根据传热公式可知，陶瓷纳米涂层厚度越小，越利于导热，能够更好地把包壳基体内部核反应的热量传递出来；此外，形成的特殊形貌也会导致陶瓷纳米涂层表面不光滑，而表面越粗糙，流体阻力越大，越利于热量传递。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳的简单结构示意图；

图2为本实用新型实施例1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳横截面剖视图；

图3为本实用新型实施例1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳的陶瓷纳米涂层外表面若干凹槽间隙交错结构的放大图；

图4为本实用新型实施例2所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳的陶瓷纳米涂层外表面若干凹槽间隙“十”字交叉结构的放大图；

图5为本实用新型实施例7所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳的简单结构示意图。

附图标记说明：

1-包壳基体；2-陶瓷纳米涂层；3-凹槽；4-盲孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例1

如图1-3所示，一种陶瓷纳米涂层2核燃料包壳，包括包壳基体1，所述包壳基体1外表面设有陶瓷纳米涂层2，陶瓷纳米涂层2外表面设有若干凹槽3。包壳基体1呈圆管状，其两端密封连接有端塞。包壳基体1的壁厚为0.4mm。

上述陶瓷纳米涂层2的材质为SiO₂陶瓷。

上述纳米涂层形成于包壳基体1外表面的方法为等离子喷涂；若干凹槽3形成与陶瓷纳米涂层2外表面的方法为高能激光刻蚀。

上述包壳基体1的材质为锆合金材料；陶瓷纳米涂层2的厚度为50nm。

若干凹槽3的深度为陶瓷纳米涂层2厚度的1/5。

若干凹槽3以间隙交错的形式分布在陶瓷纳米涂层2的外表面。

若干凹槽3相互之间平行设置。

若干凹槽3的截面均为矩形。

本实施例的工作原理：

使用时，将本实施例的陶瓷纳米涂层核燃料包壳用在普通的压水反应堆内，以高温高压的液体水作为冷却剂，燃料元件泡在水中，核反应是在包壳基体1内的核材料进行的，核反应产生的热量，传递到包壳基体1外，把水加热，然后通过循环，把热量带出去，发电。而包壳基体外表面直接加上一层陶瓷纳米涂层2，可防止锆合金材料的包壳基体1在高温下与冷却剂水接触，发生化学反应生成氢气，从而可避免反应堆爆炸等严重事故的发生，提高设计的安全性；另一方面，由于陶瓷纳米涂层2的导热效果不好，会影响包壳基体1的导热，影响包壳基体1内核反应产生的热量导出到包壳基体1外，而在陶瓷纳米涂层2上增设的若干凹槽，就会在设有凹槽的位置增加传热，提高传热性能，从而保证本实施例的陶瓷纳米涂层核燃料包壳具有良好的导热效果，导热效果可以增加3倍，不会导致包壳基体内的核燃料有较大的温升，进而保证反应堆的正常运行。

实施例2

如图4所示，一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，包括包壳基体1，所述包壳基体1外表面设有陶瓷纳米涂层2，陶瓷纳米涂层2外表面设有若干凹槽3。包壳基体1呈圆管状，其两端密封连接有端塞。包壳基体1的壁厚为0.4mm。

上述陶瓷纳米涂层2的材质为SiO₂陶瓷。

上述纳米涂层形成于包壳基体1外表面的方法为化学气相沉积；若干凹槽3形成与陶瓷纳米涂层2外表面的方法为高能激光刻蚀。

上述包壳基体1的材质为锆合金材料；陶瓷纳米涂层2的厚度为20nm。

若干凹槽3的深度为陶瓷纳米涂层2厚度的1/4。

若干凹槽3两两呈“十”字交叉结构且间隔分布在陶瓷纳米涂层2的外表面。

若干凹槽3的截面均为矩形。

本实施例的工作原理与实施例1类似。本实施例的导热效果可以增加2.6倍。

实施例3

本实施例的陶瓷纳米涂层核燃料包壳与实施例1基本相同，不同之处在于：陶瓷纳米涂层2的材质为SiCf/SiC复合材料；陶瓷纳米涂层2形成于包壳基体1外表面的方法为热等静压；陶瓷纳米涂层2的厚度为100nm；若干凹槽3的深度为陶瓷纳米涂层2厚度的2/5；若干凹槽3的截面均为三角形。

本实施例的工作原理与实施例1类似。本实施例的导热效果可以增加2倍。

实施例4

本实施例的陶瓷纳米涂层核燃料包壳与实施例2基本相同，不同之处在于：陶瓷纳米涂层2的材质为Ti₃AlC₂；陶瓷纳米涂层2形成于包壳基体1外表面的方法为物理气相沉积；陶瓷纳米涂层2的厚度为190nm；若干凹槽3的深度为陶瓷纳米涂层2厚度的1/2；若干凹槽3的截面均为曲面形状。

本实施例的工作原理与实施例1类似。本实施例的导热效果可以增加2.5倍。

实施例5

本实施例的陶瓷纳米涂层核燃料包壳与实施例4基本相同，不同之处在于：陶瓷纳米涂层2的材质为SiC基陶瓷复合材料(CMCs)。影响SiC基陶瓷复合材料(CMCs)性能的特征包括增强方法、纤维材料、制造工艺和过程控制。其中：

增强方法主要包括纤维增强陶瓷基复合材料技术、异相颗粒弥散强化复相陶瓷材料技术、原位生长陶瓷复合材料技术和纳米陶瓷复合材料技术；由于纤维增强陶瓷基复合材料技术商业化程度最高，研究技术最成熟，因此本实施例采用该陶瓷增强技术。

纤维增强碳化硅基陶瓷复合材料主要包括碳纤维增韧碳化硅(C/SiC)和碳化硅纤维增韧碳化硅(SiC/SiC)两种；由于碳纤维价格便宜且容易获得，因而本实施例选用C/SiC碳化硅基陶瓷复合材料。

C/SiC碳化硅基陶瓷复合材料的制造方法有反应烧结(RB)，热压烧结(HP)，前驱体浸渍热解(PIP)，反应性熔体渗透(RMI)以及CVI，CVI-PIP，CVI-RMI和PIP-HP等。由于CVI是目前唯一已商业化的制造方法,其适应性强,原理上适用于所有无机非金属材料,可制造多维编织体复合材料的界面层、基体和表面涂层。因此本实施例选用CVI制造方法。

CVI过程的控制：预制体的结构是影响致密化过程的主要因素,这取决于纤维束的大小和编织方法。本实施例中，每束纤维具有1000根单丝纤维。束内各单丝纤维之间的孔洞最小,一般在5μm；纤维束之间的孔洞较大，一般在200μm。而沉积炉的直径大概2500mm。CVI工艺参数的优化目标是提高致密度、致密化速度和密度均匀性，而致密度是CVI-CMC-SiC性能的决定性影响因素。因此，本实施例中，C/SiC碳化硅基陶瓷复合材料尽量达到较高的致密度。

本实施例的导热效果可以增加2.2倍。

实施例6

本实施例的陶瓷纳米涂层核燃料包壳与实施例4基本相同，不同之处在于：陶瓷纳米涂层2的材质为SiC与锆的复合材料。

本实施例的导热效果可以增加2.8倍。

实施例7

如图5所示，一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，包括包壳基体1，所述包壳基体1外表面设有陶瓷纳米涂层2，陶瓷纳米涂层2外表面设有若干盲孔4。包壳基体1呈圆管状，其两端密封连接有端塞。包壳基体1的壁厚为0.4mm。

上述陶瓷纳米涂层2的材质为Ti₃SiC₂。

上述纳米涂层形成于包壳基体1外表面的方法为热喷涂；若干盲孔4形成与陶瓷纳米涂层2外表面的方法为高能激光刻蚀。

上述包壳基体1的材质为锆合金材料；陶瓷纳米涂层2的厚度为148nm。

若干盲孔4的深度为70nm。

本实施例的工作原理与实施例1类似，不同之处在于若干盲孔4所在的位置可以增加传热，提高传热性能，其导热效果可以增加2.5倍。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：包括包壳基体(1)，所述包壳基体(1)外表面设有陶瓷纳米涂层(2)，陶瓷纳米涂层(2)外表面设有若干凹槽(3)或盲孔(4)。

2.根据权利要求1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：所述陶瓷纳米涂层(2)的材质为SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷和SiO₂陶瓷中的一种。

3.根据权利要求1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：所述陶瓷纳米涂层(2)的材质为含有Si和/或Al元素的化合物。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：所述纳米涂层形成于包壳基体(1)外表面的方法为溅射、浸镀、化学气相沉积、物理气相沉积、热等静压、冷等静压、压模、浇注、压实和烧结、等离子喷涂和热喷涂中的一种或两种以上；若干凹槽(3)或盲孔(4)形成与陶瓷纳米涂层(2)外表面的方法为高能激光刻蚀。

5.根据权利要求1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：所述包壳基体(1)的材质为锆合金材料；陶瓷纳米涂层(2)的厚度为20-200nm；所述陶瓷纳米涂层(2)的材质为SiCf/SiC复合材料、纯SiC材料、SiC与金属复合材料、Ti₃AlC₂、Ti₃SiC₂和SiC基陶瓷复合材料(CMCs)中的一种。

6.根据权利要求1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：若干凹槽(3)或盲孔(4)的深度为陶瓷纳米涂层(2)厚度的1/40～1/2，且若干凹槽(3)或盲孔(4)的深度大于等于5nm,若干凹槽(3)或盲孔(4)的深度小于100nm。

7.根据权利要求1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：若干凹槽(3)以间隙交错的形式分布在陶瓷纳米涂层(2)的外表面。

8.根据权利要求7所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：若干凹槽(3)相互之间平行设置。

9.根据权利要求1所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：若干凹槽(3)两两呈“十”字交叉结构且间隔分布在陶瓷纳米涂层(2)的外表面。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的陶瓷纳米涂层核燃料包壳，其特征在于：若干凹槽(3)的截面均为矩形、三角形或曲面形状中的一种。