JP7353277B2 - 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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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 (32)
- 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、
第1の封止材料を用いて、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し、前記エンドプラグは、前記エンドプラグの中心軸に沿って、徐々に先細りになるテーパ付きの第1のサブセクションを有し、前記管状構造体は、前記管状構造体の中心軸に沿って、徐々に先細りになるテーパ付きの第2の相応するサブセクションを有するように構成されて、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、
セラミック構造体とエンドプラグは、接合部によってのみ、接合されかつ密封されることと、
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、第2の封止材料を局所的に溶融形態に加熱することと、
前記孔の中に前記第2の封止材料を導き、前記第2の封止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、
前記接合部を形成することは、
プレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記第1の封止材料を、前記エンドプラグの前記第1のサブセクションと前記管状構造体の前記第2の相応するサブセクションとの間に適用されるように、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、
局所的に加熱して、前記第1の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1に記載の方法。
- 前記第1の封止材料は、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1に記載の方法。
- 局所的に加熱することによって、かつ、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1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4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4に記載の方法。
- 前記溶融形態の前記第2の封止材料は、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第2の封止材料は、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。
- 接合された前記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、
第1の封止材料を用いて、セラミック構造体と、エンドプラグの中心軸に沿って、徐々に先細りになるテーパ付きの第1のサブセクションを有するように構成された、前記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セラミック構造体の中心軸に沿って、徐々に先細りになるテーパ付きの第2の相応するサブセクションを有するように構成された、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、
セラミック構造体とエンドプラグは、接合部によってのみ、接合されかつ密封されることと、
第2の封止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、
前記第1の封止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局所的な熱を加えることと、
前記ピンに圧力を印加することにより、前記ピンが前記孔の中の前記加熱された第2の封止材料を押圧して、かつ、前記ピンと前記加熱された第2の封止材料が前記エンドプラグを封止するようにシールを形成することと、
を備え、
前記接合部を形成することは、
前記エンドプラグの前記第1のサブセクションと前記セラミック構造体の前記第2の相応するサブセクション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第1の封止材料を塗布することと、
局所的な加熱をし、前記第1の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、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10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10に記載の方法。
- 局所的な加熱を用いることによって、かつ、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10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13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13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10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10に記載の方法。
- 接合された前記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10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、
第1の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第1の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、前記第1の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し、
前記デバイスは、前記第1のデバイス本体の前記通路の一部としての中空空間に嵌合し、かつ、局所的な加熱を用いて、前記通路を封止すべく、第2の封止材料がシールを形成するように、前記第2の封止材料を押圧する、セラミック材料を含むピンとしての形状を有する第2のデバイス本体を備える、デバイス。 - 前記第1のデバイス本体は、前記第1のデバイス本体の中心軸に沿って、徐々に先細りになるサブセクションを含む、請求項19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19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のエンドプラグと、
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、局所的に加熱された前記第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のエンドプラグと、
局所的な加熱プロセスを用いて、第2のエンドプラグを封止するように前記第2のエンド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、前記第2のエンドプラグが前記中空空間をデバイス本体の通路の一部に位置決めされ、前記第2のエンドプラグを封止する第2の封止材料を押圧する形状にされた、シリコンカーバイド材料を含んだピン又はインサート、
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。 - 前記第1のエンドプラグの第1の封止材料を局所的加熱で処理する、請求項22に記載の核燃料棒。
- 前記第1のエンドプラグは、前記第1のエンドプラグの中心軸に沿って、徐々に先細りになるテーパ付き本体を有する、請求項22に記載の核燃料棒。
- 前記第2のエンドプラグの前記本体は、前記第2のエンドプラグの中心軸に沿って、徐々に先細りになる部分を含む、請求項22に記載の核燃料棒。
- 前記第2のエンドプラグは、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のエンド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22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26に記載の核燃料棒。
- 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インサート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28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28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30に記載のインサート。
- 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の圧力の下で局所的に加熱することと、
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。
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