JP2021503427A - 加圧されたセラミック構成体の接合および封止 - Google Patents
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Abstract
Description
本特許文書は、2017年10月19日付提出で同一の発明の名称の米国仮特許出願第62/574、721の利益および優先権を主張する。
Claims (82)
- セラミック構造体とエンドプラグとを接合および封止する方法であって、
封止材料を用いて、管状構造体を含むセラミック構造体と、エンドプラグの上面および底面を通過する孔を有するように構成され、前記管状構造体の内部に設置されている前記エンドプラグとの接合部を形成することと、
前記孔を通して前記管状構造体に所望のガス組成を充填することと、
熱源を用いて、材料を溶融形態に加熱することと、
前記孔の中に前記材料を導き、前記材料が凝固して前記エンドプラグを封止することと、
を備える方法。 - 前記接合部を前記形成することは、
プレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記封止材料を、前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間に塗布することと、
前記封止材料から固体セラミックを形成することと、
前記複数の含有物が結晶性マトリックスの内部に配置され、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える前記結晶性マトリックスを形成するために前記固体セラミックを結晶化させることと、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記含有物は、球体、薄片、ウィスカー、繊維、または前記セラミック多形体を備える不規則形状物を備える、請求項2に記載の方法。
- 前記封止材料は、第1の温度で硬化し、前記第1の温度より高い第2の温度で熱分解して前記固体セラミックを形成し、前記固体セラミックは前記第2の温度より高い第3の温度で結晶化する、請求項2に記載の方法。
- 前記所望のガス組成を前記充填することの前に、前記結晶性マトリックス上に、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える実質的にガス不透過性の封止層を形成することによって、前記接合部を強化すること、をさらに備える、請求項2に記載の方法。
- 前記接合部を前記強化することは、化学気相浸透(CVI)を用いて行われる、請求項5に記載の方法。
- 前記結晶性マトリックスは、クラック、細孔、またはボイドをさらに備え、前記実質的にガス不透過性の封止層は、前記クラック、細孔、またはボイドを介して前記結晶性マトリックスの中に部分的にまたは全体的に浸透する、請求項5に記載の方法。
- 前記所望のガス組成はヘリウムガスを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融された材料は高い溶融温度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融された材料は、酸化物、シリコン、または遷移金属を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記管状構造体の中に低圧を生成することと、
前記所望のガス組成を前記充填することの前に、前記低圧の下で前記接合部を強化することと、をさらに備える、請求項1に記載の方法。 - 前記封止材料を前記エンドプラグの外表面に塗布することと、
前記エンドプラグを第2の低圧力の下で強化することと、をさらに備える、請求項1に記載の方法。 - 前記強化することは、化学気相堆積(CVD)を用いて行われる、請求項11または12に記載の方法。
- 前記溶融形態の前記材料は、前記孔で流動しつつ凝固する、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融形態の前記材料は、前記熱源が取り去られた後で凝固する、請求項1に記載の方法。
- 前記接合されたセラミック構造体と前記エンドプラグとを少なくとも摂氏1350度の温度で熱処理すること、をさらに備える、請求項1に記載の方法。
- セラミック構造体を接合および封止する方法であって、
封止材料を用いて、セラミック構造体と、エンドプラグの上面および底面を通過する孔を含む本体および前記孔の中に位置決めされたピンを有する前記エンドプラグとの接合部を形成することと、
材料を前記エンドプラグの前記孔の中に配置することと、
前記材料を加熱するために、前記エンドプラグの近くの前記セラミック構造体の部分に熱を加えることと、
前記ピンに圧力を印加し、前記ピンが前記孔の中の前記加熱された材料を押圧して前記エンドプラグを封止することと、
を備える方法。 - 前記接合部を前記形成することは、
前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間にプレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記封止材料を塗布することと、
前記封止材料から固体セラミックを形成することと、
前記複数の含有物が結晶性マトリックスの内部に配置され、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える前記結晶性マトリックスを形成するために前記固体セラミックを結晶化させることと、
を含む、請求項17に記載の方法。 - 前記含有物は、球体、薄片、ウィスカー、繊維、または前記セラミック多形体を備える不規則形状物を備える、請求項18に記載の方法。
- 前記封止材料は、第1の温度で硬化し、前記第1の温度より高い第2の温度で熱分解して前記固体セラミックを形成し、前記固体セラミックは前記第2の温度より高い第3の温度で結晶化する、請求項18に記載の方法。
- 前記結晶性マトリックス上に、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える実質的にガス不透過性の封止層を形成することによって、前記接合部を強化すること、をさらに備える、請求項18に記載の方法。
- 前記接合部を前記強化することは、化学気相浸透(CVI)を用いて行われる、請求項21に記載の方法。
- 前記結晶性マトリックスは、クラック、細孔、またはボイドをさらに備え、前記実質的にガス不透過性の封止層は、前記クラック、細孔、またはボイドを介して前記結晶性マトリックスの中に部分的にまたは全体的に浸透する、請求項21に記載の方法。
- 前記孔を通して前記セラミック構造体を所望のガス組成で充填すること、をさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 所望のガス組成の圧力を増加させることにより、前記ピンに前記圧力を印加する、請求項17に記載の方法。
- 前記接合されたセラミック構造体と前記エンドプラグとを少なくとも摂氏1350度の温度で熱処理すること、をさらに備える、請求項17に記載の方法。
- セラミック構造体の端部を封止するためのデバイスであって、
セラミック材料を含み、第1の開口部を有する第1の面と第2の開口部を有する第2の面を含む形状を有し、セラミック構造体の1つの開口端に嵌合してその開口端を封止する形状を有するデバイス本体を備え、
前記第1の開口部と前記第2の開口部とは、前記デバイス本体の中に、前記セラミック構造体の内部領域の中に通路を提供する中空空間を形成し、封止材料による充填で前記通路を封止可能にするデバイス。 - 前記第1の開口部の直径および前記第2の開口部の直径は、実質的に同じである、請求項27に記載のデバイス。
- 前記セラミック材料は炭化ケイ素(SiC)を含む、請求項27に記載のデバイス。
- 前記デバイス本体は、前記デバイスの中心軸に沿ったテーパ付きサブセクションを含む、請求項27に記載のデバイス。
- 前記デバイス本体の通路の一部としての前記中空空間に嵌合して、前記封止材料を押圧して前記通路を封止する形状を有するピンをさらに備える、請求項27に記載のデバイス。
- 前記ピンはセラミック材料を含む、請求項31に記載のデバイス。
- 核燃料棒であって、
第1のセラミック材料を含む管状構造体と、
第1の封止材料を用いて前記管状構造体の第1の端部に接合されている第1のプラグと、
第1の開口部を有する第1の面と第2の開口部を有する第2の面とを含む形状を有する本体を備え、前記第1の開口部と前記第2の開口部とは前記本体の中に中空空間を形成し、前記第1の封止材料を用いて前記管状構造体の第2の端部に接合されている第2のプラグと、
第2のプラグを封止するように前記第2のプラグの前記中空空間の内部に配置されている第2の封止材料と、
前記管状構造体の内部に位置決めされている1つまたは複数の核燃料ペレットと、
を備える核燃料棒。 - 前記セラミック材料は炭化ケイ素(SiC)を含む、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記第1の封止材料はプレセラミックポリマーである、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記プレセラミックポリマーは複数の含有物を含む、請求項35に記載の核燃料棒。
- 前記プレセラミックポリマーはポリカルボシランであり、前記含有物は炭化ケイ素粉末の形態を有する、請求項36に記載の核燃料棒。
- 前記第1のプラグはテーパ付き本体を有する、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記第1のプラグは炭化ケイ素材料を含む、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記第2のプラグの前記本体は、前記第2のプラグの中心軸に沿ったテーパ付きの部分を含む、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記第2のプラグは炭化ケイ素材料を含む、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記第2のプラグは、デバイス本体の通路の一部としての前記中空空間に嵌合し、前記第2の封止材料を押圧して前記第2のプラグを封止する形状を有するピンまたはインサートを含む、請求項33に記載の核燃料棒。
- 前記ピンまたは前記インサートは炭化ケイ素材料を含む、請求項42に記載の核燃料棒。
- 前記第2の封止材料は、酸化物、シリコン、または遷移金属を含む、請求項33に記載の核燃料棒。
- セラミック構造体を封止するための装置であって、
前記セラミック構造体を保持し、ガスを収容するためのチャンバと、
ガス組成を前記チャンバにまたはチャンバから導くために、前記チャンバに連結されているガス注入口と、
前記チャンバの外側に配置されて、前記チャンバの内部のガス中の前記セラミック構造体の部分の温度を上昇させるために、誘導加熱を引き起こすように動作可能な複数のコイルと、
を備える装置。 - 前記チャンバは石英から作られている、請求項45に記載の装置。
- 前記チャンバは一様な断面を有する、請求項45に記載の装置。
- 前記チャンバは、第1の端部に小さい断面および第2の端部に大きい断面を有する、請求項45に記載の装置。
- 前記第1の端部の直径は約70mmである、請求項48に記載の装置。
- 前記第2の端部の直径は約110mmである、請求項48に記載の装置。
- 前記ガス組成はヘリウムまたはアルゴンを含む、請求項45に記載の装置。
- 前記複数のコイルは無線周波数(RF)コイルである、請求項45に記載の装置。
- 高い動作温度に対して堅牢な、外部チャンバとフランジとをさらに備える、請求項45に記載の装置。
- 前記外部チャンバの高さは約540mmである、請求項53に記載の装置。
- セラミック構造体を封止する方法であって、
前記セラミック構造体を封止装置のチャンバの中に位置決めすることと、
封止材料が前記セラミック構造体とプラグとの間に位置決めされ、前記セラミック構造体の端部に前記プラグを配置することと、
サセプタブロックを前記プラグに隣接して配置することと、
前記セラミック構造体の前記端部と前記サセプタブロックを高温に加熱し、前記プラグと、前記セラミック構造体の前記端部の、前記プラグと接触している前記セラミック構造体の部分とを接合することによって、前記セラミック構造体の前記端部を封止するために、前記チャンバの外側に配置されている複数の誘導コイルを変動電流により駆動することと、
を備える方法。 - 前記セラミック構造体の前記端部を封止することは、化学気相浸透(CVI)プロセスまたは化学気相堆積(CVD)プロセスにより得られる、請求項55に記載の方法。
- 前記封止が得られた後、前記サセプタブロックの部分を除去すること、をさらに備える、請求項56に記載の方法。
- 前記プラグと前記サセプタブロックとの間にシリコンの層を配置すること、をさらに備える、請求項56に記載の方法。
- 前記セラミック構造体の前記端部を前記封止することは、液体シリコン流プロセスによって得られる、請求項55に記載の方法。
- シリコンの層は、高温で溶融し、前記サセプタブロックと反応するように構成されている、請求項55に記載の方法。
- 前記セラミック構造体の前記端部を加熱する前に、前記セラミック構造体の中にガス組成を導くこと、をさらに備える、請求項55に記載の方法。
- セラミック構造体を封止するシステムであって、
ガス組成を供給するガス貯蔵部と、
セラミック構造体を封止するための装置であって、
前記セラミック構造体を保持するためのチャンバと、
前記ガス組成を前記チャンバに導くための、前記チャンバに連結されているガス注入口と、
前記チャンバの内部に保持される前記セラミック構造体の部分の温度を上昇させるために誘導加熱することが可能で、前記チャンバの外側に配置されている複数のコイルと、
を備える装置と、
前記装置の1つまたは複数の温度を監視するための1つまたは複数の温度モニタと、
前記装置の圧力を制御するための1つまたは複数の圧力レギュレータと、
を備えるシステム。 - 前記1つまたは複数の温度モニタは、前記セラミック構造体の温度を監視するための熱電対を含む、請求項62に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の温度モニタは、前記セラミック構造体の前記部分の温度を監視するためのパイロメータを含む、請求項62に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の温度モニタは、前記チャンバの温度を報告するための温度モニタをさらに含む、請求項62に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の圧力レギュレータは、背圧レギュレータを含む、請求項62に記載のシステム。
- 前記装置から排出される排出ガスをろ過するためのフィルタをさらに備える、請求項62に記載のシステム。
- 前記フィルタを通過する前の排出ガスの圧力を監視するためのフィルタ前ガス圧力モニタをさらに備える、請求項67に記載のシステム。
- 前記フィルタを通過した後の排出ガスの圧力を監視するためのフィルタ後ガス圧力モニタをさらに備える、請求項67に記載のシステム。
- エンドプラグによってセラミック構造体を封止するためのインサートであって、
第1の開口部を有する第1の面と、第2の開口部を有する第2の面と、前記第1の面と前記第2の面とを接続する側壁とを含み、前記セラミック構造体の1つの開口端と前記エンドプラグとの間に嵌合し、前記エンドプラグによって前記開口端を封止する形状を有する本体を備え、
前記第1の開口部と前記第2の開口部とは、前記本体の中に中空空間を形成し、前記エンドプラグの前記デバイスへの連結を可能にするインサート。 - 前記第1の面から延び、前記側壁から突出している隆起部をさらに備える、請求項70に記載のインサート。
- 前記インサートは遷移金属から作られている、請求項70に記載のインサート。
- 前記遷移金属はモリブデンである、請求項72に記載のインサート。
- エンドプラグによってセラミック構造体を封止または接合するためのインサートを製造する方法であって、
第1の開口部を有する第1の面と、第2の開口部を有する第2の面と、前記第1の面と前記第2の面とを接続する側壁とを含み、前記セラミック構造体の1つの開口端と前記エンドプラグとの間に嵌合し、前記エンドプラグによって前記開口端を封止する形状を有する本体を備え、
前記第1の開口部と前記第2の開口部とが、前記本体の中に中空空間を形成し、前記エンドプラグへの連結を可能にする部品を製造することと、
前記製造された部品を洗浄することと、
表面欠陥を低減するために前記洗浄された部品を研磨することと、
を備える方法。 - 前記洗浄することは、超音波浴を用いて行われる、請求項74に記載の方法。
- 前記洗浄された部品を前記研磨することは、酸浴中で前記洗浄された部品を電気研磨すること、を含む、請求項75に記載の方法。
- エンドプラグとインサートとによってセラミック構造体を封止または接合する方法であって、
アセンブリを形成するために前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間に前記インサートを配置することと、
前記アセンブリを不活性ガス組成中に位置決めすることと、
前記アセンブリを第1の温度および第1の圧力の下で加熱することと、
界面残留応力を除去するために前記アセンブリをある継続時間の間アニールすることと、
を備える方法。 - 前記不活性ガス組成はヘリウムである、請求項77に記載の方法。
- 前記第1の温度は摂氏1500度を超える、請求項77に記載の方法。
- 前記継続時間は2時間から4時間の間である、請求項77に記載の方法。
- 前記アセンブリを前記加熱することは、
前記アセンブリに対して前記第1の圧力を生成するために力を加えることと、
前記第1の温度と前記第1の圧力の下で前記アセンブリをホットプレスすることと、
を含む、請求項77に記載の方法。 - 前記力は0.5kNから5kNまでの間である、請求項81に記載の方法。
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