KR20200095466A - 가압 세라믹 구조물의 접합 및 밀봉 - Google Patents
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Abstract
본 특허 문헌은, 고온 및/또는 가혹한 부식 환경을 견딜 수 있는 물질을 필요로 하는 핵 반응로 환경 및 다른 적용예에서 사용하기에 적합한 세라믹 매트릭스 복합체를 위한 시스템, 구조물, 디바이스, 및 제조 프로세스에 관한 것이다. 하나의 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 밀봉 물질을 이용하여 세라믹 구조물 및 단부 플러그의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀을 가지는, 단계; 홀을 통해서 세라믹 구조물을 희망 가스 조성물로 충진하는 단계; 열원을 이용하여 물질을 용융 형태로 가열하는 단계; 및 물질을 홀 내로 지향시키는 단계로서, 물질이 응고되어 단부 플러그를 밀봉하는, 단계를 포함한다.
Description
우선권 및 관련 특허출원
본 특허 문헌은 본원과 동일한 명칭으로 2017년 10월 19일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/574,721호의 우선권 및 이익을 주장한다.
본 특허 문헌은, 핵 반응로에서, 또는 열 교환기, 또는 노즈콘(nosecone) 또는 노즐과 함께, 또는 유동 채널 삽입체와 함께 사용하기 위한 핵 연료 물질을 유지하기 위한 케이싱, 하우징 또는 클래딩 구조물과 관련된 시스템, 구조물, 디바이스, 및 제조 프로세스에 관한 것이다.
많은 핵 반응로는 파워를 생성하기 위한 핵 반응을 위한 연료로서 핵분열 물질을 이용한다. 그러한 연료는, 핵 반응로의 높은 동작 온도를 견딜 수 있고 집중적인 중성자 방사선 환경 내에서 구조적 무결성을 유지할 수 있는, 연료봉과 같은 강건한 컨테이너 내에서 유지된다. 연료 구조물이 반응로 코어 내에서 충분한 기간(예를 들어, 몇 년) 동안 그 형상 및 구조적 무결성을 유지하고, 그에 의해서 핵분열 생성물이 반응로 냉각제로 누출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 열 교환기, 노즐, 노즈콘, 유동 채널 삽입체, 또는 관련 구성요소와 같은 다른 구조물에서 또한 고온 성능, 내식성, 및 특이적, 비-평면형 기하형태(큰 치수적 정확도가 중요한 경우)가 요구된다.
본 특허 문헌은, 고온 및/또는 가혹한 부식 환경을 견딜 수 있는 물질을 필요로 하는 핵 반응로 환경 및 다른 적용예에서 사용하기에 적합한 세라믹 매트릭스 복합체를 위한 시스템, 구조물, 디바이스, 및 제조 프로세스에 관한 것이다.
하나의 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하기 위한 방법이 개시된다. 그러한 방법은 밀봉 물질을 이용하여 관형 구조물 및 관형 구조물의 내측에 위치된 단부 플러그를 포함하는 세라믹 구조물의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀을 포함하도록 구조화되는, 단계; 홀을 통해서 세라믹 구조물을 희망 가스 조성물로 충진하는 단계; 열원을 이용하여 물질을 용융 형태로 가열하는 단계; 및 그러한 물질을 홀 내로 지향시키는 단계로서, 물질이 응고되어 단부 플러그를 밀봉하는, 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 조인트를 형성하는 단계는: 세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 밀봉 물질을 도포하는 단계로서, 밀봉 물질은 프리세라믹 중합체(preceramic polymer) 및 복수의 개재물을 포함하는, 단계; 밀봉 물질로부터 고체 세라믹을 형성하는 단계; 및 세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체(polymorph)를 포함하는 결정질 매트릭스를 형성하기 위해서 고체 세라믹을 결정화하는 단계로서, 복수의 개재물이 결정질 매트릭스 내에 배치되는, 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 개재물은, 세라믹 다형체를 포함하는 구체, 플레이크, 위스커(whisker), 섬유, 또는 불규칙적인 형상을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 밀봉 물질은 제1 온도에서 경화될 수 있고 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 열분해될 수 있고, 그에 따라 고체 세라믹을 형성할 수 있고, 고체 세라믹은 제2 온도보다 높은 제3 온도에서 결정화된다.
일부 실시예에서, 방법은 세라믹 구조물 내에서 저압을 생성하는 단계; 및 희망 가스 조성물의 충진 전에, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층을 결정질 매트릭스에 도포하는 것에 의해서, 저압 하에서 조인트를 강화하는 단계로서, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층이 세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함하는, 단계를 포함하도록 구현될 수 있다. 조인트를 강화하는 단계는 화학적 증기 침투(CVI)를 이용하여 실시될 수 있다. 일부 구현예에서, 상당한 양의 가스를 세라믹 구조물로부터 제거하는 것에 의해서, 저압이 생성될 수 있다. 결정질 매트릭스는 균열, 소공, 또는 공극을 더 포함할 수 있고, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층은 균열, 소공, 또는 공극을 통해서 결정질 매트릭스 내로 부분적으로 또는 완전히 침투할 수 있다.
일부 실시예에서, 희망 가스 조성물은 헬륨 가스를 포함한다. 일부 구현예에서, 용융된 물질이 높은 용융 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 용융된 물질은 산화물, 규소, 또는 전이 금속을 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 관상형 구조물 내에서 저압을 생성하는 단계; 및 희망 가스 조성물의 충진에 앞서서, 저압 하에서 조인트를 강화하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 또한 밀봉 물질을 단부 플러그의 외부 표면에 도포하는 단계; 및 제2 저압 하에서 단부 플러그를 강화하는 단계를 포함한다. 강화하는 단계는 화학기상증착(CVD)을 이용하여 실시될 수 있다. 일부 구현예에서, 용융 형태의 물질은, 홀 내에서 유동하는 동안, 응고된다. 일부 구현예에서, 용융 형태의 물질은, 열원이 제거된 후에, 응고된다. 일부 실시예에서, 방법은 접합된 세라믹 구조물 및 단부 플러그를 적어도 1350 ℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함한다.
다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하기 위한 방법이 개시된다. 그러한 방법은 밀봉 물질을 이용하여 세라믹 구조물 및 단부 플러그의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀, 및 홀 내에 배치되는 핀을 포함하는 본체를 가지는, 단계; 물질을 단부 플러그의 홀 내에 배치하는 단계; 물질을 가열하기 위해서 단부 플러그 부근의 세라믹 구조물의 섹션에 열을 인가하는 단계; 및 핀이 홀 내의 가열된 물질을 가압하여 단부 플러그를 밀봉하도록, 본체 또는 핀에 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 또한 세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 밀봉 물질을 도포하는 단계로서, 밀봉 물질은 프리세라믹 중합체 및 복수의 개재물을 포함하는, 단계; 밀봉 물질로부터 고체 세라믹을 형성하는 단계; 및 세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함하는 결정질 매트릭스를 형성하기 위해서 고체 세라믹을 결정화하는 단계로서, 복수의 개재물이 결정질 매트릭스 내에 배치되는, 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 개재물은, 세라믹 다형체를 포함하는 구체, 플레이크, 위스커, 섬유, 또는 불규칙적인 형상을 포함한다. 일부 구현예에서, 밀봉 물질은 제1 온도에서 경화되고 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 열분해되고, 그에 따라 고체 세라믹을 형성하며, 고체 세라믹은 제2 온도보다 높은 제3 온도에서 결정화된다.
일부 실시예에서, 방법은 또한 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층을 결정질 매트릭스 상에 형성하는 것에 의해서 저압 하에서 조인트를 강화하는 단계를 포함하고, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층은 세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함한다. 조인트를 강화하는 단계는 화학적 증기 침투(CVI)를 이용하여 실시될 수 있다. 결정질 매트릭스는 균열, 소공, 또는 공극을 더 포함할 수 있고, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층은 균열, 소공, 또는 공극을 통해서 결정질 매트릭스 내로 부분적으로 또는 완전히 침투할 수 있다.
일부 실시예에서, 방법은 또한 홀을 통해서 희망 가스 조성물로 세라믹 구조물을 충진하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 희망 가스 조성물의 압력을 증가시키는 것에 의해서 압력이 핀에 인가될 수 있다.
다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물의 단부를 밀봉하기 위한 디바이스가 개시된다. 그러한 디바이스는, 세라믹 물질을 포함하고 제1 개구부를 가지는 제1 표면 및 제2 개구부를 가지는 제2 표면을 포함하도록 성형된 디바이스 본체를 포함하고, 제1 개구부 및 제2 개구부는 디바이스 본체 내에 중공형 공간을 형성하고, 제1 개구부 및 제2 개구부는, 세라믹 구조물의 내부 지역 내로의 통로를 제공하고 통로를 밀봉하기 위해서 밀봉 물질로 충진될 수 있는, 중공형 공간을 디바이스 본체 내에 형성한다.
일부 실시예에서, 제1 개구부의 직경 및 제2 개구부의 직경이 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 세라믹 물질은 규소 탄화물(SiC)을 포함한다. 일부 실시예에서, 디바이스 본체는, 디바이스의 중심 축을 따라서 테이퍼링된(tapered) 하위섹션을 포함한다.
일부 실시예에서, 디바이스는 또한, 디바이스 본체 내의 통로의 일부로서의 중공형 공간 내로 피팅되도록 그리고 통로를 밀봉하기 위해서 밀봉 물질을 가압하도록 성형된 핀을 포함한다. 일부 구현예에서, 핀은 세라믹 물질을 포함한다.
다른 예시적인 양태에서, 핵 연료봉이 개시된다. 핵 연료봉은, 제1 세라믹 물질을 포함하는 관형 구조물, 제1 밀봉 물질을 이용하여 관형 구조물의 제1 단부와 접합되는 제1 플러그; 상기 제1 밀봉 물질을 이용하여 관형 구조물의 제2 단부와 접합되는 제2 플러그로서, 제2 플러그는, 제1 개구부를 가지는 제1 표면 및 제2 개구부를 가지는 제2 표면을 포함하도록 성형된 본체를 포함하고, 제1 개구부 및 제2 개구부는 제2 플러그의 본체 내에 중공형 공간을 형성하는, 제2 플러그; 제2 물질이 제2 플러그를 밀봉하도록 제2 플러그의 중공형 공간 내에 배치되는 제2 밀봉 물질; 및 관형 구조물 내에 배치된 하나 이상의 핵 연료 펠릿을 포함한다.
일부 실시예에서, 세라믹 물질은 규소 탄화물(SiC)을 포함한다. 제1 밀봉 물질은 프리세라믹 중합체일 수 있다. 일부 구현예에서, 프리세라믹 중합체는 복수의 개재물을 포함한다. 예를 들어, 프리세라믹 중합체는 폴리카보실란이고, 개재물은 규소 탄화물 분말의 형태이다. 일부 구현예에서, 제1 플러그는 테이퍼링된 본체를 갖는다. 제1 플러그가 규소 탄화물 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 플러그의 본체는, 제2 플러그의 중심 축을 따라서 테이퍼링되는 섹션을 포함한다. 제2 플러그가 규소 탄화물 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 플러그는, 디바이스 본체 내의 통로의 일부로서의 중공형 공간 내로 피팅되도록 그리고 제2 플러그를 밀봉하기 위해서 제2 밀봉 물질을 가압하도록 성형된 핀 또는 삽입체를 포함한다. 핀 또는 삽입체는 규소 탄화물 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 밀봉 물질은 산화물, 규소, 또는 전이 금속을 포함한다.
다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 장치가 개시된다. 그러한 장치는 세라믹 구조물을 유지하기 위한 챔버; 가스 조성물을 챔버로 또는 챔버로부터 지향시키기 위해서 챔버에 커플링된 가스 유입구; 및 챔버의 외측에 배열된 복수의 코일을 포함하고, 복수의 코일은 챔버 내에서 유지되는 세라믹 구조물의 섹션의 온도를 높이기 위해서 유도 가열할 수 있다.
일부 실시예에서, 챔버는 석영으로 제조된다. 챔버는 일부 구현예에서 균일한 횡단면을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 챔버는 제1 단부에서 작은 횡단면을 그리고 제2 단부에서 큰 횡단면을 갖는다. 예를 들어, 제1 단부의 직경이 약 70 mm이다. 다른 예에서, 제2 단부의 직경은 약 110 mm이다.
일부 실시예에서, 가스 조성물은 He 또는 Ar을 포함한다. 일부 실시예에서, 코일은 무선주파수(RF) 코일이다. 일부 구현예에서, 장치는 또한, 높은 동작 온도에서 강건한, 외부 챔버 및 플랜지를 포함한다. 외부 챔버는 약 540 mm의 높이를 가질 수 있다.
다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 밀봉하는 방법이 개시되고, 그러한 방법은 세라믹 구조물을 밀봉 디바이스의 챔버 내에 배치하는 단계; 플러그를 세라믹 구조물의 단부 상에 배치하는 단계로서, 밀봉 물질이 세라믹 구조물과 플러그 사이에 배치되는 단계; 서셉터 블록(susceptor block)을 플러그에 인접 배치하는 단계; 그리고 높은 온도까지 세라믹 구조물의 단부 및 서셉터 블록을 가열하여 플러그 및 세라믹 구조물의 단부에서 플러그와 접촉되는 세라믹 구조물의 부분을 접합하기 위해서, 그에 따라 세라믹 구조물의 단부를 밀봉하기 위해서, 변동 전류로 챔버의 외측에 배열된 복수의 유도 코일을 구동하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 밀봉부는 화학적 증기 침투(CVI) 프로세스에 의해서 획득된다. 일부 실시예에서, 방법은 또한, 밀봉부가 획득된 후에, 서셉터 블록의 섹션을 제거하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 방법은 플러그와 서셉터 블록 사이에 규소의 층을 배치하는 단계를 더 포함한다. 밀봉부는 액체 규소 유동 프로세스에 의해서 획득될 수 있다. 규소의 층은, 고온에서 용융되도록 그리고 서셉터 블록과 반응하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법은 또한, 세라믹 구조물의 단부의 가열에 앞서서, 가스 조성물을 세라믹 구조물 내로 지향시키는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 밀봉하는 시스템이 개시되고, 그러한 시스템은 가스 조성물을 공급하기 위한 가스 저장부, 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 장치로서: 세라믹 구조물을 유지하기 위한 챔버; 가스 조성물을 챔버로 지향시키기 위해서 챔버에 커플링된 가스 유입구; 및 챔버 내에서 유지되는 세라믹 구조물의 섹션의 온도를 높이기 위해서 유도 가열할 수 있는, 챔버의 외측에 배열된 복수의 코일을 포함하는, 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 장치, 장치의 하나 이상의 온도를 모니터링하기 위한 하나 이상의 온도 모니터, 및 장치의 압력을 제어하기 위한 하나 이상의 압력 조절기를 포함한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 온도 모니터는 세라믹 구조물의 온도를 모니터링하기 위한 열전쌍을 포함한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 온도 모니터는 세라믹 구조물의 섹션의 온도를 모니터링하기 고온계를 포함한다. 하나 이상의 온도 모니터는 챔버의 온도를 보고하기 위한 온도 모니터를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 압력 조절기는 배압 조절기를 포함한다. 일부 구현예에서, 시스템은 또한 장치로부터 방출되는 배출 가스를 필터링하기 위한 필터를 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템은, 필터의 통과 전에, 배출 가스의 압력을 모니터링하기 위한 필터-전 가스 압력 모니터를 더 포함한다. 시스템은 또한, 필터의 통과 후에, 배출 가스의 압력을 모니터링하기 위한 필터-후 가스 압력 모니터를 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 단부 플러그로 밀봉하기 위한 디바이스가 개시되고, 그러한 디바이스는 단부 플러그로 개구부 단부를 밀봉하기 위해서 세라믹 구조물의 하나의 개구부 단부와 단부 플러그 사이에 피팅되도록 성형된 본체를 포함하고, 본체는 제1 개구부를 가지는 제1 표면, 제2 개구부를 가지는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면을 연결하는 측벽을 포함하고, 제1 개구부 및 제2 개구부는 본체 내에서 중공형 공간을 형성하여 단부 플러그가 디바이스에 커플링될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 삽입체는 또한, 제1 표면으로부터 연장되고 측벽으로부터 돌출되는 상승 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 삽입체는 전이 금속으로 제조된다. 전이 금속은 몰리브덴일 수 있다.
다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 단부 플러그로 밀봉하기 위한 또는 세라믹 구조물과 단부 플러그를 접합하기 위한 삽입체를 제조하는 방법이 개시된다. 그러한 방법은, 개구부 단부를 단부 플러그로 밀봉하기 위해서 세라믹 구조물의 하나의 개구부 단부와 단부 플러그 사이에 피팅되도록 성형된 본체를 포함하는 부품을 제조하는 단계를 포함한다. 본체는 제1 개구부를 가지는 제1 표면, 제2 개구부를 가지는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면을 연결하는 측벽을 포함한다. 제1 개구부 및 제2 개구부가 본체 내에 중공형 공간을 형성하여, 단부 플러그가 부품에 커플링될 수 있게 한다. 방법은 또한 제조된 부품을 세정하는 단계, 및 표면 결점을 감소시키기 위해서 세정된 부품을 폴리싱하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 세정은 초음파 배쓰(ultrasonic bath)를 이용하여 실시된다. 일부 구현예에서, 세정된 부품을 폴리싱하는 단계는 세정된 부품을 산성 배쓰 내에서 전기-폴리싱하는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 세라믹 구조물을 단부 플러그 및 삽입체와 접합하는 방법이 개시되며, 그러한 방법은 조립체를 형성하기 위해서 삽입체를 세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 배치하는 단계, 그러한 조립체를 불활성 가스 조성물 내에 배치하는 단계, 조립체를 제1 온도 및 제1 압력 하에서 가열하는 단계, 및 계면 잔류 응력을 감소시키기 위해서 소정 지속 시간 동안 조립체를 어닐링하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 불활성 가스 조성물은 헬륨이다. 일부 실시예에서, 제1 온도는 1500 ℃ 초과이다. 지속 시간은 2 내지 4 시간일 수 있다.
일부 실시예에서, 조립체를 가열하는 단계는 제1 압력을 생성하기 위한 힘을 조립체에 인가하는 단계, 및 제1 온도 및 제1 압력 하에서 조립체를 열간-프레스하는 단계(hot-pressing)를 포함한다. 힘은 0.5 내지 5 kN일 수 있다.
전술한 그리고 다른 양태 및 그 구현예가 도면, 상세한 설명 및 청구범위에서 더 구체적으로 설명된다.
도 1a는 핵 반응로를 위한 예시적인 연료 조립체를 도시한다.
도 1b는 열을 포획하기 위한 예시적인 열 교환기를 도시한다.
도 2a는 핵 반응로용 SiC 구조물의 제1 단부를 밀봉하는 것에 관한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 2b는 2개의 물품을 밀봉하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 2c는 접합 동안의 중간 구조물의 개략도를 도시한다.
도 2d는 조인트를 보강하는 것에 관한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3a는 충진-홀을 갖는 단부 플러그의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3b는 충진-홀을 갖는 대안적인 단부 플러그의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3c는 충진-홀을 갖는 대안적인 단부 플러그의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 4a는 예시적인 충진-홀을 도시한다.
도 4b는 X-레이 컴퓨터 단층촬영(XCT)에 의해서 획득된 단부 플러그 내의 부분적인 충진-홀을 보여주는 예시적인 횡단면 이미지를 도시한다.
도 5는 대안적인 단부 플러그를 이용하여 SiC 클래딩의 제2 단부를 밀봉하는 다수-단계 접근 방식에 대한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 6은 충진-홀을 밀봉하기 위한 예시적인 구성을 도시한다.
도 7a는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 예시적인 구성을 도시한다.
도 7b는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 다른 예시적인 구성을 도시한다.
도 7c는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 다른 예시적인 구성을 도시한다.
도 7d는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 또 다른 예시적인 구성을 도시한다.
도 8은 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 다른 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10a는 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 10b는 예시적인 삽입체의 횡단면도를 도시한다.
도 11a는 다른 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 11b는 다른 예시적인 삽입체의 횡단면도를 도시한다.
도 12a는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 12b는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 예시적인 삽입체의 사시도를 도시한다.
도 13a는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 다른 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 13b는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 다른 예시적인 삽입체의 사시도를 도시한다.
도 14는 어닐링 프로세스 후의 삽입체 및 SiC 플러그의 예시적인 거대조직 및 미세조직을 도시한다.
도 15는 단부 플러그를 갖는 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 삽입체를 제조하는 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 16은 세라믹 구조물을 단부 플러그 및 삽입체와 밀봉 및 접합하기 위한 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 17은 본 기술의 하나 이상의 실시예에 따른 프로세스를 이용하여 세라믹 구조물의 양 단부들을 접합 및 밀봉한 후의 예시적인 연료봉을 도시한다.
도 18은, 세라믹 부품들을 접합 및 밀봉하기 위한 몇몇 접합 프로세스를 위해서 이용될 수 있는 퍼니스(furnace)의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 19는 내부 슬리브, 좁은 관상형 섹션, 및 코일의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 20은 내부 슬리브, 좁은 관상형 섹션, 및 코일의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 21은 화학적 증기 침투(CVI) 프로세스를 위한 퍼니스 시스템의 예시적인 구성을 도시한다.
도 22는 액체 규소 유동 프로세스를 위한 퍼니스 시스템의 예시적인 구성을 도시한다.
도 23은 퍼니스 시스템을 위한 모니터링 메커니즘의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 24는 퍼니스 시스템을 위한 배출구 모니터링 메커니즘의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 25는 SiC 클래딩의 단부를 밀봉하는 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 1b는 열을 포획하기 위한 예시적인 열 교환기를 도시한다.
도 2a는 핵 반응로용 SiC 구조물의 제1 단부를 밀봉하는 것에 관한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 2b는 2개의 물품을 밀봉하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 2c는 접합 동안의 중간 구조물의 개략도를 도시한다.
도 2d는 조인트를 보강하는 것에 관한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3a는 충진-홀을 갖는 단부 플러그의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3b는 충진-홀을 갖는 대안적인 단부 플러그의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3c는 충진-홀을 갖는 대안적인 단부 플러그의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 4a는 예시적인 충진-홀을 도시한다.
도 4b는 X-레이 컴퓨터 단층촬영(XCT)에 의해서 획득된 단부 플러그 내의 부분적인 충진-홀을 보여주는 예시적인 횡단면 이미지를 도시한다.
도 5는 대안적인 단부 플러그를 이용하여 SiC 클래딩의 제2 단부를 밀봉하는 다수-단계 접근 방식에 대한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 6은 충진-홀을 밀봉하기 위한 예시적인 구성을 도시한다.
도 7a는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 예시적인 구성을 도시한다.
도 7b는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 다른 예시적인 구성을 도시한다.
도 7c는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 다른 예시적인 구성을 도시한다.
도 7d는 핀으로 충진-홀을 밀봉하기 위한 또 다른 예시적인 구성을 도시한다.
도 8은 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 다른 예시적인 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10a는 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 10b는 예시적인 삽입체의 횡단면도를 도시한다.
도 11a는 다른 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 11b는 다른 예시적인 삽입체의 횡단면도를 도시한다.
도 12a는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 12b는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 예시적인 삽입체의 사시도를 도시한다.
도 13a는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 다른 예시적인 삽입체의 측면도를 도시한다.
도 13b는 단부 플러그를 갖는 클래딩 구조물 내에 배치된 다른 예시적인 삽입체의 사시도를 도시한다.
도 14는 어닐링 프로세스 후의 삽입체 및 SiC 플러그의 예시적인 거대조직 및 미세조직을 도시한다.
도 15는 단부 플러그를 갖는 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 삽입체를 제조하는 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 16은 세라믹 구조물을 단부 플러그 및 삽입체와 밀봉 및 접합하기 위한 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 17은 본 기술의 하나 이상의 실시예에 따른 프로세스를 이용하여 세라믹 구조물의 양 단부들을 접합 및 밀봉한 후의 예시적인 연료봉을 도시한다.
도 18은, 세라믹 부품들을 접합 및 밀봉하기 위한 몇몇 접합 프로세스를 위해서 이용될 수 있는 퍼니스(furnace)의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 19는 내부 슬리브, 좁은 관상형 섹션, 및 코일의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 20은 내부 슬리브, 좁은 관상형 섹션, 및 코일의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 21은 화학적 증기 침투(CVI) 프로세스를 위한 퍼니스 시스템의 예시적인 구성을 도시한다.
도 22는 액체 규소 유동 프로세스를 위한 퍼니스 시스템의 예시적인 구성을 도시한다.
도 23은 퍼니스 시스템을 위한 모니터링 메커니즘의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 24는 퍼니스 시스템을 위한 배출구 모니터링 메커니즘의 다른 예시적인 개략도를 도시한다.
도 25는 SiC 클래딩의 단부를 밀봉하는 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다.
핵 반응로에서 이용되는 핵 연료는 일반적으로, 높은 동작 온도 및 집중적인 중성자 방사선 환경을 견딜 수 있는 연료봉 내에서 유지된다. 연료 구조물은 반응로 코어 내에서 오랜 기간 동안 그 형상 및 구조적 무결성을 유지할 필요가 있고, 그에 의해서 핵분열 생성물이 반응로의 반응로 냉각제 내로 누출되는 것을 방지할 필요가 있다. 도 1a는 핵 반응로에서 이용되는 연료봉(101)의 번들로 형성된 핵 연료봉 조립체(100)의 예를 도시한다. 각각의 봉은 우라늄-함유 펠릿과 같은 핵 연료 펠릿(103)을 포함하기 위한 중공형 내측부를 가지고, 조립체 내에서 봉들을 유지하기 위해서 이격체 그리드(105)가 이용된다. 반응로는, 반응로가 동작될 때 파워 생성을 위한 충분한 핵 연료를 제공하는 핵 연료봉 조립체를 유지하도록 설계된다. 다양한 연료봉이 구현될 수 있다. 일부 핵 반응로는 예를 들어 지르코늄 클래딩을 이용한다. 이러한 문헌에서 연료봉은 성능 개선을 위해서 규소 탄화물 세라믹 매트릭스 복합체(CMC)를 이용한다.
규소 탄화물(SiC)은, 그 고온 강도 및 화학적 불활성으로 인해서, 핵 적용예를 위해서 이용될 수 있다. SiC 섬유는, 고순도 SiC 매트릭스(SiC/SiC) 내에 세라믹 매트릭스 복합체(CMC)를 구축하여 증가된 파단 인성을 제공하기 위해서 이용될 수 있고, 진보된 고온 핵분열 반응로를 위한 클래딩 물질 및 융합 반응로 내의 제1 벽 물질로서 이용될 수 있다. SiC/SiC 복합체는 또한 반응로 안전성을 향상시키기 위해서 경수로(LWR)와 같은 다양한 반응로용 클래딩으로서 설계될 수 있고, 우발적인 조건 중의 고온 스트림 내의 그 산화 동태는 몇 개의 자릿수만큼 지르코늄 합금 보다 우수하다.
SiC 복합체는 또한 알루미늄 재활용, 합성가스 생산, 또는 가스화-조합형-사이클 플랜트로부터 고온의 폐열을 회수하기 위한 열 교환기와 같은 다양한 고온 적용예에서 이용될 수 있다. 도 1b는 여러 적용예에서 사용되는 대향류 열 교환기 구성의 열 교환기의 예를 도시한다. 이러한 예에서, 하나 이상의 고온 유체 채널이 제공되어, 고온 유체를 열 교환기의 좌측으로부터 열 전도성 고온 유체 관 내로 지향시켜 열 교환기를 통해서 우측의 출구까지 통과시켜 열 교환기 내측의 고온 유체의 열을 방출시키는 한편, 저온 유체는 일반적으로 열 전도성 고온 유체 관 내의 고온 유체의 방향에 반대로 열 교환기 내로 지향되고, 그에 따라 고온 유체에 의해서 방출되는 열의 일부를 흡수하고 이어서 상승된 온도로 열 교환기를 빠져 나간다. 이러한 예에서 저온 유체 및 고온 유체(예를 들어, 가스 유동 또는 액체 유동)는 열 교환을 위해서 열적으로 접촉되나, 분리되어 재순환되며, 그에 따라 고온 유체의 열 에너지가 희망 용도를 위해서 저온 유체에 전달된다. SiC 복합체는 고온 양립성(compatible)을 가지고 양호한 내식성을 나타내며, 원유가 종종 나프텐산, 황, 이산화탄소 및 수소 황화물로 오염됨에 따라 커지는 부식 문제를 효과적으로 해결하기 위해서, 대향류 및 여러 가지 다른 열 교환기 내에서 이용될 수 있다.
또한, 우주항공 분야는 SiC 복합체의 고온 강도와 이상적으로 합치되는 매우 다양한 적용예: 노즈콘, 덮개, 에어호일, 터빈 블레이드 및 다른 제트 엔진 구성요소를 갖는다. 모든 경우에, 세라믹 매트릭스 복합체의, 거의 최종-형상(net-shape)의 구성요소를 생성하기 위해서, 섬유 프리폼(preform)의 기하형태가 제조 프로세스 중에 유지되어야 한다.
다양한 적용예를 위한 SiC 복합체의 제조는 일반적으로 몇 개의 단계를 갖는다. 첫 번째로, 밀봉되는, SiC 복합체 구조물을 통한 내부 중공형 통로를 포함하도록, SiC 복합체 구조물이 제조된다. SiC 복합체 구조물은, 측벽 및 측벽에 의해서 둘러싸인 내부 중공형 통로를 갖는, 관형, 관상형 또는 비-관형 형상을 가질 수 있다. 두 번째로, SiC 구조물의 제1 단부가 제1 SiC 단부 플러그와 접합 및 밀봉된다. 제1 물품(예를 들어, SiC 복합체 구조물)과 제2 물품(예를 들어, SiC 단부 플러그) 사이의 조인트는, 제1 물품과 제2 물품 사이에서 연장되는 세라믹 다형체를 포함하는 매트릭스를 포함할 수 있다. 세라믹 다형체를 포함하는 복수의 개재물이 매트릭스 전체를 통해서 분포될 수 있다. 일부 실시예에서, 세라믹 다형체를 포함하는 밀봉 층이 제1 물품(예를 들어, SiC 복합체 구조물), 제2 물품(예를 들어, SiC 단부 플러그), 및 매트릭스의 조인트 표면에 도포될 수 있다. 밀봉 층은 매트릭스 내로 부분적으로 연장될 수 있다. 매트릭스, 복수의 개재물, 및 밀봉 층의 각각이 동일한 세라믹 다형체를 포함할 수 있다.
도 2a는 SiC 관 형태의 SiC 구조물의 제1 단부를 밀봉하기 위한 프로세스의 예시적인 개략도를 도시한다. 이러한 특정 예에서, 제1 개구부 단부(201)는, 개구부의 최외측 부분으로부터 SiC 관(205)의 내부 부분을 향해서 점진적으로 감소되는 개구부 치수를 갖는 테이퍼링된 개구부를 갖는다. 밀봉 단부 플러그(203)는 SiC 관(205)의 제1 개구부 단부(201)의 테이퍼링된 형상 내로 피팅되는 형상 및 치수를 갖도록 설계된다. 예를 들어, SiC 관(205)은 원형 관 또는 정사각형과 같은 다른 기하형태적 형상의 관일 수 있다. 원형 SiC 관(205)의 경우에, 도 2a의 특정 예에서의 제1 개구부 단부(201)는 단부에서 더 큰 개구부 구경을 갖는 테이퍼링된 관형의 개구부이고, SiC 관(205)의 내부 측을 향해서 점진적으로 감소된다. 밀봉 단부 플러그(203)는, 밀봉 물질을 수용하기 위한 약간의 공간을 제공하기 위해서 약간의 작은 간극을 사이에 두고, 제1 개구부 단부(201)의 테이퍼링되고 관형인 개구부의 내측에 피팅되도록 테이퍼링되고 관형인 외부 형상을 갖는다.
프리세라믹 중합체와 같은 밀봉 물질(202)이 도포되어, 단부 플러그(203)와 SiC 관(205)의 개구부 단부 사이의 경사진 계면을 충진하여 밀폐 밀봉부를 형성하는 제1 조인트를 형성한다. 도 2b는 그러한 밀봉 물질을 이용하여 2개의 물품(예를 들어, SiC 구조물(205)의 제1 단부 및 단부 플러그(203))을 밀봉하기 위한 방법(220)의 흐름도이다. 방법(220)은, 222에서, 희망하는 개재물을 갖는 프리세라믹 중합체의 슬러리를 준비하는 단계를 포함한다. 개재물이 없는 경우에, 전술한 것과 달리, 슬러리는 조인트의 형성 중에 많은 수의 균열 및 공극을 형성할 수 있다. 개재물은 그러한 균열 및 공극의 적어도 일부를 점유할 수 있고 및/또는 그 형성을 방지할 수 있으며, 그에 따라 조인트의 전체적인 밀도를 증가시키고 조인트의 강도 및 내구성을 개선할 수 있다. 개재물은, 나노미터 내지 밀리미터 범위의 직경 및/또는 길이를 가지는 물품의 물질(예를 들어, β-SiC)로 이루어진 구체, 플레이크, 위스커, 섬유, 및/또는 불규칙적인 형상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, (예를 들어, 1:2 이상, 또는 1:5 이상, 또는 1: 10 이상의 고종횡비를 가지는) 고종횡비 개재물이 조인트의 기계적 강도 및 인성을 향상시키는데 있어서 특히 유용한 것으로 생각된다. 예를 들어, 위스커-형상의 개재물을 가지는 매트릭스가 더 작은, 더 둥근 공극을 가질 수 있고 그에 따라 더 균질할 수 있다. 일부 실시예에서, 프리세라믹 중합체는, 상온에서 점성 액체인, 폴리카보실란(PCS)이고, 개재물은, 하나의 예에서, 기계적 혼합 및 초음파 처리를 통해서 액체와 혼합된 SiC 분말인, 분말의 형태이다.
이어서, 방법(220)은, 224에서, 슬러리를 2개의 물품에 도포하는 단계를 포함한다. 여기에서, 2개의 물품은 SiC 관(205) 및 밀봉 플러그(203)이다. 일부 실시예에서, 2개의 물품은 실질적으로 유사한 조성을 갖는다. 세라믹 다형체는, 예를 들어, β-SiC일 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 매트릭스, 복수의 개재물, 및 밀봉 층은 99.0 중량%의 β-SiC, 또는 심지어 99.7 중량% 초과의 β-SiC을 포함할 수 있다.
방법(200)은 또한 226에서 슬러리를 경화시키는 단계 및 228에서 슬러리로부터 개재물을 갖는 고체 세라믹을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 도포된 슬러리를 열분해하여 고체 세라믹을 형성할 수 있다. 사용되는 특정 프리세라믹 중합체에 따라, 그러한 열분해가 하나 이상의 중간 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 고체 세라믹은 230에서 희망하는 결정 구조물로 변환된다.
도 2c는 방법(220)의 단계(222, 226, 및 228) 중의 중간 구조물의 개략도를 도시한다. 세라믹 중합체는 이하의 프로세스에 의해서 세라믹 다형체로 변환된다: (a) 단량체가 비교적 낮은 온도(예를 들어, 100 ℃)에서 중합되고, (b) 중합체가 고온(예를 들어, 200 내지 400 ℃)에서 가교결합되고, (c) 중합체가 더 높은 온도(예를 들어, 600 내지 850 ℃)에서 열분해되어 비정질 세라믹의 형성을 초래한다. 이어서, 비정질 세라믹은 그보다 더 높은 온도(예를 들어, 1100 ℃ 초과)에서 결정질 세라믹으로 변환된다. 구현예에서, 온도는 희망하는 세라믹 다형체를 생성하도록 선택될 수 있다.
방법(200)은 또한, 232에서, 희망 물질로 조인트를 보강하는 단계를 포함한다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 조인트를 보강하고 밀봉하기 위해서, 슬러리가 희망하는 세라믹 다형체, 예를 들어 β-SiC로 완전히 변환된 후에 화학적 증기 침투(CVI)의 단계를 실시하여 밀봉 층을 형성할 수 있다. 사실상, 슬러리-유도 매트릭스 내의 임의의 잔류 개방 소공(porosity)이, 조인트 내로의 CVI 반응물(들)을 위한 반응물 유동 경로로서 이용될 수 있고, 그에 따라 밀봉 층을 매트릭스 내로 부분적으로 또는 완전히 연장시킨다. 그러한 단계는 핵 등급 조인트에서 중요한 것으로 생각되는데, 이는 헬륨 및 핵분열 생성물을 유지할 수 있는 능력이, 구조적으로 건전하고 실질적으로 불투과적인 조인트를 필요로 하기 때문이다. 일부 실시예에서, 조인트를 실질적으로 불투과적으로 만들기 위해서, 화학기상증착(CVD)의 단계가 추가적으로 이용될 수 있다.
제1 조인트를 밀봉하는 것은, 예를 들어 General Atomics에게 허여된 "세라믹 물품들 사이의 큰 내구성의 조인트 및 그 제조 방법 및 용도"라는 명칭의 미국 특허 제9,132,619 B2호에서 개시된 기술 및 물질을 포함하는 여러 가지 방식으로 구현될 수 있다. 미국 특허 제9,132,619 B2호의 전체 개시 내용은 본 특허 문헌의 일부로서 참조로 포함된다.
제1 단부에서 제1 조인트가 형성된 후에, 관(205)의 대향 단부 상의 제2 개구부를 통해서, SiC 관(205)에, 핵 펠릿 및 유지 스프링, 또는 열 교환기 구성요소와 같은, 물질이 적재될 수 있다. 이어서, SiC 관(205)의 제2 단부가 유사한 방식으로 제2 SiC 단부 플러그로 접합 및 밀봉되어, 밀봉 물질(202)과 함께 제2 밀폐 조인트 및 밀봉부를 형성한다.
SiC 구조물을 위한 제2 조인트를 생성하는데 있어서 일부 난제가 남아 있다. 첫 번째로, 핵 분야의 적용예에서, 제2 단부가 밀봉되기 전에, 핵 펠릿 및 유지 스프링과 같은 구성요소가 클래딩의 내측에 배치된다. 제2 단부의 밀봉이 전체 클래딩 구조물의 가열을 필요로 하는 경우에, 이러한 구성요소는 높은 동작 온도를 견디지 못할 수 있다. 두 번째로, 핵 연료와 클래딩 사이의 보다 양호한 열 접촉이 가능하도록, 헬륨 가스 또는 다른 가스 조성물로 클래딩 내의 간극을 충진하는 것이 일반적이다. 그에 따라, 클래딩 내에서 상승된 내부 압력을 유지하면서, 클래딩을 밀폐식으로 밀봉하기 위한 밀봉 및 접합 방법이 바람직하다.
전술한 바와 같이, CVI 및/또는 CVD를 이용하여 침착된 브레이즈(braze), 프리세라믹 중합체, 유리, 및 세라믹을 포함하여, 세라믹 성분을 접합하기 위해서 몇몇 방법이 이용될 수 있다. 그러나, 내부 압력을 유지하는 밀폐 밀봉부를 생성하기 위해서 그러한 방법을 이용하는 것은 어려울 수 있다. SiC 세라믹 물질과 동일한 장점, 예를 들어 내식성, 내열성, 또는 내조사성(irradiation resistance)을 제공할 수 있는 밀봉 계면을 생성하는 것이 난제이다. 본 특허 문헌은, 이러한 장점들의 조합을 나타내는 조인트를 생성하고 밀폐적인 탄성적 조인트를 만들 수 있는 다수-단계 접합 프로세스를 설명한다.
세라믹 구조물 내에서 상승된 내부 압력을 유지하기 위한 메커니즘의 일부로서, 충진 홀을 갖는 세라믹 단부 플러그가 클래딩 구조물의 제2 단부를 밀봉하기 위해서 이용될 수 있다. 도 3a는 그러한 세라믹 단부 플러그(301)의 예를 도시한다. 단부 플러그(301)는, 가스 조성물이 단부 플러그(301)를 통해서 진행할 수 있게 하는 작은 직경의 충진 홀(303)을 갖는다. 단부 플러그(301)는 SiC 복합체 구조물과 동일한 물질로 제조될 수 있다. 단부 플러그는 제1 개구부(309)를 가지는 상단 표면(305) 및 제2 개구부(302)를 가지는 하단 표면(307)을 포함하도록 성형된다. 제1 개구부(309) 및 제2 개구부(302)는 충진 홀(303)을 형성한다. 충진-홀(303)이 균일한 횡단면을 갖도록, 제1 개구부(309) 및 제2 개구부(302)가 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 개구부(302)는 제1 개구부(309)보다 작고, 그에 따라 그러한 개구부들은 테이퍼링된 충진-홀(303)을 형성한다. 일부 실시예에서, 단부 플러그(301)의 본체가 또한 테이퍼링되어, 단부 플러그(301)와 SiC 구조물(205)의 개구부 단부 사이의 계면이 경사질 수 있게 한다.
이러한 충진 홀(303)을 이용하여, 밀봉이 2개의 단계로 실시된다. 첫 번째로, 단부 플러그(301)는 도 2에 도시된 바와 같이, SiC 구조물(205)와 같은, SiC 복합체 구조물의 개구부 단부 내로 삽입되고, 밀봉 물질(202)을 이용하여 단부 플러그(301)와 SiC 구조물(205) 사이의 계면을 밀봉한다. 충진 홀(303)의 존재는 SiC 구조물(205)의 내부와 외부 사이에서 가스 도관을 제공하고, 그에 따라 가스 시스템이 SiC 구조물(205)에 커플링될 수 있다. 충진 홀(303)은, 충진 홀(303) 내로 유동하도록 그리고 충진 홀(303) 내에서 재-응고되도록, 높은 용융-온도의 물질을 도포하는 것에 의해서 밀봉될 수 있다. 그러한 구성은, 단부 플러그(301)가 클래딩 구조물 상에 배치된 후에 그리고 클래딩이 전체적으로 밀봉되기 전에, 클래딩의 내부 압력이 조정될 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 밀봉 프로세스는 또한, 밀봉부를 더 강화하기 위해서, 접합된 세라믹 구조물 및 단부 플러그를 적어도 1350 ℃의 온도에서 처리하는 단계를 포함한다.
도 3b 및 도 3c는 충진 홀을 갖는 단부 플러그의 일부 개략도를 도시한다. 도 3b는 대안적인 세라믹 단부 플러그(311)의 개략도를 도시한다. 단부 플러그(311)는, 더 넓은 본체(313)로 이어지는 관형 목 섹션(312)을 포함한다. 일부 실시예에서, 본체(313)는 2개의 섹션: 상부 섹션(314) 및 하부 섹션(315)을 갖는다. 2개의 섹션이 거울형 절두체(mirrored frustum)를 함께 형성하도록, 섹션의 각각이 테이퍼링된 형상을 갖는다. 절두체 형상은 단부 플러그(311)와 SiC 클래딩(205)의 개구부 단부 사이의 계면이 경사질 수 있게 한다. 단부 플러그(311)는 또한 관형 목 섹션(312)의 상단부에서 제1 개구부(316)를 그리고 본체(313)의 하부 섹션(315)의 하단부에서 제2 개구부(317)를 포함한다. 제1 개구부 및 제2 개구부는 충진 홀(318)을 형성한다. 충진-홀(318)이 균일한 횡단면을 갖도록, 제1 개구부(316) 및 제2 개구부(317)가 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 개구부(317)는 제1 개구부(316)보다 작고, 그에 따라 그러한 개구부들은 테이퍼링된 충진-홀(318)을 형성한다. 이러한 예에서, 부가적인 SiC 핀(319)이 충진 홀(318) 내에 배치되어 밀봉 프로세스를 돕고, 이에 대해서는 도 7a 내지 도 7d와 관련하여 설명할 것이다.
도 3c는 대안적인 세라믹 단부 플러그(321)의 개략도를 도시한다. 단부 플러그(321)는, 더 넓은 본체(323)로 이어지는 관형 목 섹션(322)을 갖는다. 일부 실시예에서, 본체(323)는 또한 2개의 섹션: 상부 섹션(324) 및 하부 섹션(325)을 갖는다. 이러한 예에서, 상부 섹션(342)은 테이퍼링된 형상을 가지는 반면, 하부 섹션(325)은 균일한 횡단면을 갖는다. 단부 플러그(321)는 또한 관형 목 섹션(322)의 상단부에서 제1 개구부(326)를 그리고 본체(323)의 하부 섹션(325)의 하단부에서 제2 개구부(327)를 포함한다. 제1 개구부 및 제2 개구부는 충진 홀(328)을 형성한다. 충진-홀(328)이 균일한 횡단면을 갖도록, 제1 개구부(326) 및 제2 개구부(327)가 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 개구부(327)는 제1 개구부(316)보다 작고, 그에 따라 그러한 개구부들은 테이퍼링된 충진-홀(328)을 형성한다. 이러한 예에서, 부가적인 SiC 핀(329)이 충진 홀(328) 내에 배치되어 밀봉 프로세스를 돕고, 이에 대해서는 도 7a 내지 도 7d와 관련하여 설명할 것이다. 또한, 전술한 예에서 단부 플러그들이 SiC 관들에 커플링되지만, 이들은 또한 다양한 고온 적용예에 적합한 다른 유형의 SiC 복합체 구조물에 커플링될 수 있다.
도 4a는 예시적인 충진-홀을 도시한다. 충진 홀(401)은 단부 플러그(403)의 레이저 드릴링 또는 전기 방전 가공(EDM)을 이용하여 생성될 수 있다. 어떠한 추가적인 가공이 없이도 충진 홀의 기하형태가 단부 플러그에 통합되도록, 단부 플러그(403)를 열간 프레스하는 것에 의해서 충진 홀(401)이 또한 일체로 형성될 수 있다. 충진 홀의 크기는 밀봉 물질의 특성(예를 들어, 점도) 및 동작 온도에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 홀의 직경은 1 내지 2 mm이다. 충진 홀(401)은, 도 3 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 균일한 횡단면을 가질 수 있다. 대안적으로, 충진 홀(401)은 테이퍼링된 횡단면을 가질 수 있고, 그러한 횡단면은 충진 홀(401)이 단부 플러그(403) 내에서 더 깊어짐에 따라 좁아지고 그에 따라 재-응고 프로세스를 보다 잘 제어할 수 있게 한다. 도 4b는 X-레이 컴퓨터 단층촬영(XCT)에 의해서 획득된 단부 플러그(407) 내의 부분적인 홀(405)의 예시적인 횡단면 이미지를 도시한다.
도 5는, 도 3의 충진 홀을 가지는 단부 플러그를 이용하여 SiC 복합체 구조물의 제2 단부를 밀봉하는 다수-단계 접근 방식에 대한 예시적인 개략도를 도시한다. 그러한 접근 방식은, 세라믹 클래딩(205)과 같은 복합체 구조물과, 충진 홀(303)을 포함하는 제2 세라믹 단부 플러그(301)를 접합 및 밀봉하기 위해서 일련의 단계를 이용한다. 세라믹 클래딩 관(205)은 2개의 대향 개구부를 가지고, 제1 개구부 단부는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 세라믹 단부 플러그(203)로 밀봉된다. 도 5는 제2 개구부 단부를 밀봉하기 위해서 도 3의 충진 홀을 갖는 단부 플러그를 이용하는 단계를 도시한다. 제1 단계(501)에서, 핵 펠릿(미도시)과 같은 구성요소가 클래딩(205) 내로 적재된 후에, 제2 세라믹 단부 플러그(301)가 클래딩의 제2 개구부 상에 배치된다. 프로세스의 제2 단계(502)는, 도 2에 도시된 바와 같은 제1 조인트를 형성하기 위해서 이용되는 단계와 유사하다. 이러한 단계(502)는, 단부 플러그(301)와 클래딩(205) 사이에 조인트를 형성하기 위해서, 밀봉 물질(202), 예를 들어 전술한 바와 같은 프리세라믹 중합체를 이용한다. 제2 단계(502)에서, 화학적 증기 침투(CVI) 또는 화학기상증착(CVD)과 같은 과정을 실시하여 조인트 계면을 강화할 수 있다. 일부 실시예에서, 클래딩 관(205) 내의 기존의 가스를 진공을 제거하여, CVD를 성공적으로 완료하기 위한 낮은 내부 압력을 생성한다. 이어서, 세라믹 클래딩 관(205)이 개방된 충진 홀(304)을 통해서 희망 가스 조성물(509)로 충진될 수 있다. 이어서, 희망 가스 조성물(509)에 의해서 유발된 상승된 압력 레벨에서, 용융된 높은 용융-온도 물질(510)(예를 들어, 산화물, 규소, 전이 금속 등)이 충진 홀(304) 내로 유동하도록 그리고 충진 홀 내에서 재-응고되도록, 그에 의해서 클래딩(205) 내에서 충진 가스(509)를 밀봉하도록 지향된다. 단계(504)에서, 최종 표면이 모재 물질(parent material)과 실질적으로 동일하도록, 부가적인 CVD 단계가 또한 실시될 수 있다.
도 6은 충진 홀(303)을 밀봉하기 위한 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 구성은 밀봉을 달성하기 위해서 단부 플러그(301)의 단부 부근에 제공되는 가파른 온도 프로파일(601)을 이용한다. 이러한 가파른 온도 프로파일(601)은 단부 플러그(301)의 몇 인치 위에서 매우 높은 온도를 유지하고, 그에 따라 밀봉 물질(510)이 액체 형태로 유지될 수 있게 한다. 가파른 온도 프로파일(601)은 또한 충진 홀(303) 주위에서 훨씬 더 낮은 온도를 유지하고, 그에 따라 밀봉 물질(510)이 충진 홀(303) 내에서 성공적으로 응고될 수 있게 한다.
첫 번째로, 밀봉 물질(510)은 열원을 이용하여 고온에서 액체 형태로 용융된다. 이어서, 밀봉 물질(510)이 단부 플러그(301)의 몇 인치 위로부터 아래의 훨씬 더 저온인 충진 홀(303)로 유동하고, 온도 프로파일은 고온으로부터 저온으로 급속히 변화된다. 이어서, 밀봉 물질(510)이 재-응고되고 충진 홀(303)을 밀봉한다. 일부 실시예에서, 밀봉 물질은, 충진 홀(303) 내에서 유동할 때, 응고된다. 일부 실시예에서, 충진 홀(303) 주위의 온도를 더 낮추기 위해서 열원을 제거할 때까지, 밀봉 물질이 용융 상태로 유지될 수 있다.
도 7a는 핀으로 충진 홀을 밀봉하기 위한 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 예에서, 거울형 절두체 형상을 가지는 단부 플러그(701)가 사용된다. 도 5에 도시된 프로세스에서의 단계(501)와 유사하게, 핵 펠릿과 같은 구성요소(706)가 복합체 구조물(705) 내로 적재된 후에, 단부 플러그(701) 및 복합체 구조물(705)이 밀봉 물질(미도시), 예를 들어 전술한 바와 같은 프리세라믹 중합체를 이용하여 접합될 수 있다. 충진 홀의 밀봉이 시작되기 전에, 다른 유형의 밀봉 물질(702)이 충진 홀(703) 내에 배치될 수 있다. 단부 플러그(701)는 또한, SiC 또는 다른 물질로 제조된 핀(704)을 포함한다. 충진 홀(703)을 밀봉하기 위해서, 국소화된 열이 단부 플러그(701) 주위의 지역에 인가되어 밀봉 물질(702)을 가열할 수 있다. 국소화된 열에 관한 특별성을 도 11 내지 도 13과 관련하여 구체적으로 설명할 것이다. 핀(704)이 가열된 밀봉 물질(702)을 가압하여 밀봉부를 형성하도록, 압력이 핀(704)에 동시에 인가될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 물질(702)이 단부 플러그(701)의 하단부에 대해서 가압되어 내부 밀봉부를 형성하도록, 도 7a에 도시된 바와 같이, 핀(704)이 충진 홀(703)의 직경과 실질적으로 유사한 직경을 갖는다. 일부 구현예에서, 밀봉 물질(702)이 핀(704) 주위에서 가압되어 충진 홀(703)을 밀봉할 수 있도록, 핀(704)은 충진 홀(703)의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있다.
도 7b는 핀으로 충진 홀을 밀봉하기 위한 다른 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 예에서, 테이퍼링된 형상을 가지는 단부 플러그(711)가 사용된다. 도 5에 도시된 프로세스에서의 단계(501)와 유사하게, 핵 펠릿과 같은 구성요소(706)가 복합체 구조물(705) 내로 적재된 후에, 단부 플러그(711) 및 복합체 구조물(705)이 밀봉 물질(미도시), 예를 들어 전술한 바와 같은 프리세라믹 중합체를 이용하여 접합될 수 있다. 충진 홀의 밀봉이 시작되기 전에, 다른 유형의 밀봉 물질(702)이 충진 홀(713) 내에 배치될 수 있다. 단부 플러그(711)는 또한, SiC 또는 다른 물질로 제조된 핀(714)을 포함한다. 충진 홀(713)을 밀봉하기 위해서, 국소화된 열이 단부 플러그(711) 부근의 지역에 인가되어 밀봉 물질(702)을 가열할 수 있다. 국소화된 열에 관한 특별성을 도 11 내지 도 13과 관련하여 구체적으로 설명할 것이다. 핀(714)이 가열된 밀봉 물질을 가압하여 밀봉부를 형성하도록, 압력이 핀(714)에 동시에 인가될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 밀봉 물질(702)이 핀(714) 주위에서 가압되어 충진 홀(713)을 밀봉할 수 있도록, 핀(714)은 충진 홀(713)의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 일부 구현예에서, 밀봉 물질(702)이 단부 플러그(711)의 하단부에 대해서 가압되어 내부 밀봉부를 형성하도록, 핀(714)이 충진 홀(713)의 직경과 실질적으로 유사한 직경을 가질 수 있다.
도 7c는 핀으로 충진 홀을 밀봉하기 위한 다른 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 예에서, 단부 플러그(721)가 사용된다. 단부 플러그(721)는 상단부에서 넓은 제1 개구부(722)를 그리고 하단부에서 작은 제2 개구부(723)를 갖는다. 그에 따라 충진 홀(726)은 2개의 섹션: 원뿔-형상의, 넓은 제1 섹션(724) 및 좁은 제2 섹션(725)을 갖는다. 도 5에 도시된 프로세스의 단계(501)와 유사하게, 단부 플러그(721) 및 복합체 구조물(705)이 밀봉 물질(미도시), 예를 들어 전술한 바와 같은 프리세라믹 중합체를 이용하여 접합될 수 있다. 충진 홀의 밀봉이 시작되기 전에, 다른 유형의 밀봉 물질(702)이 충진 홀(726)의 넓은 섹션(724) 내에 배치될 수 있다. 단부 플러그(721)는 또한, SiC 또는 다른 물질로 제조된 핀(727)을 포함한다. 이러한 예에서, 핀(727)은 상응하는 원뿔 형상을 갖는다. 충진 홀(726)을 밀봉하기 위해서, 국소화된 열이 단부 플러그(721) 주위의 지역에 인가되어 밀봉 물질(702)을 가열할 수 있다. 국소화된 열에 관한 특별성을 도 11 내지 도 13과 관련하여 구체적으로 설명할 것이다. 핀(727)이 가열된 밀봉 물질(702)을 가압하여 충진 홀(726) 내에서 밀봉부를 형성하도록, 압력이 원뿔-형상의 핀(727)에 동시에 인가될 수 있다.
도 7d는 핀으로 충진 홀을 밀봉하기 위한 또 다른 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 예에서, 단부 플러그(731)가 사용된다. 단부 플러그(731)는 상단부에서 좁은 제1 개구부(732)를 그리고 하단부에서 넓은 제2 개구부(733)를 갖는다. 그에 따라 충진 홀(736)은 2개의 섹션: 좁은 제1 섹션(734) 및 원뿔-형상의, 넓은 제2 섹션(735)을 갖는다. 도 5에 도시된 프로세스의 단계(501)와 유사하게, 단부 플러그(731) 및 복합체 구조물(705)이 밀봉 물질(미도시), 예를 들어 전술한 바와 같은 프리세라믹 중합체를 이용하여 접합될 수 있다. 충진 홀의 밀봉이 시작되기 전에, 다른 유형의 밀봉 물질(702)이 충진 홀(736)의 넓은 섹션(735) 내에 배치될 수 있다. 단부 플러그(731)는 또한, SiC 또는 다른 물질로 제조된 핀(737)을 포함한다. 이러한 예에서, 핀(737)은 상응하는 2개의 섹션: 좁은 제1 섹션(738) 및 원뿔-형상의 섹션(739)을 갖는다. 세라믹 복합체 구조물(705)은 희망 가스 조성물(740)로 충진될 수 있다. 충진 홀(736)을 밀봉하기 위해서, 국소화된 열이 단부 플러그(731) 주위의 지역에 인가되어 밀봉 물질(702)을 가열할 수 있다. 희망 가스 조성물(740)의 압력 레벨이 증가되도록, 열이 또한 복합체 구조물(705)의 다른 섹션에 인가될 수 있다. 이어서, 희망 가스 조성물(740)에 의해서 유발된 상승된 압력 레벨에서, 핀(737)이 가열된 밀봉 물질(702)을 가압하여 충진 홀(736) 내에서 밀봉부를 형성한다. 국소화된 열에 관한 특별성을 도 11 내지 도 13과 관련하여 구체적으로 설명할 것이다.
도 8은 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 방법(800)에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다. 그러한 방법(800)은: 802에서, 밀봉 물질로 세라믹 구조물 및 단부 플러그의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀을 가지는, 단계; 804에서, 홀을 통해서 세라믹 구조물을 희망 가스 조성물로 충진하는 단계; 806에서, 열원을 이용하여 물질을 용융 형태로 가열하는 단계; 및 808에서, 홀 내로 유동하도록 물질을 지향시키는 단계로서, 물질이 응고되어 단부 플러그를 밀봉하는, 단계를 포함한다.
도 9는 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 방법(900)에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다. 그러한 방법(900)은: 902에서, 밀봉 물질을 이용하여 세라믹 구조물 및 단부 플러그의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀, 및 홀 내에 배치되는 핀을 포함하는 본체를 가지는, 단계; 904에서, 물질을 단부 플러그의 홀 내에 배치하는 단계; 906에서, 물질을 가열하기 위해서 단부 플러그 부근의 세라믹 구조물의 섹션에 열을 인가하는 단계; 및 908에서, 핀이 홀 내의 가열된 물질을 가압하여 단부 플러그를 밀봉하도록, 본체 또는 핀에 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 단부 플러그(203)가 테이퍼링된 설계를 이용하여 구현될 수 있고, 그에 따라 플러그(203)를 SiC 구조물(205)의 일 단부에 용이하게 배치할 수 있게 한다. 그러한 테이퍼링된 설계에서 테이퍼 각도는 0 내지 45도일 수 있다. 일부 실시예에서, 7°의 테이퍼 각도가 이용된다. 그러나, 테이퍼링된 설계는 또한 밀봉 프로세스를 더 복잡하게 만드는 데, 이는, 단부 플러그(203)와 클래딩(205) 사이에서 내조사성의 그리고 열적-기계적으로 건전한 밀폐 밀봉부를 달성하기 위해서, 그러한 설계에서 밀봉 물질(202)의 불균일한 도포가 요구되기 때문이다. 본 특허 문헌은 또한, 기계적으로 강한 그리고 내열팽창성 및 내조사성의 밀폐 밀봉부를 제공하기 위해서 SiC 구조물의 내부 표면과 단부 플러그 사이의 삽입체로서 이용될 수 있는, 전이 금속 칼라를 설명한다. 삽입체는 또한, 예를 들어 T-형상 또는 엘보-형상의 조인트를 가지는 SiC 관의 큰 조립체를 형성하는, 다양한 구성으로 SiC 구조물을 접합하기 위해서 이용될 수 있다.
전이 금속 삽입체는 SiC 구조물의 내부 표면과 단부 플러그 사이에서 이용될 수 있다. 전이 금속 삽입체는 상단 표면을 포함한다. 삽입체가 구조물 내로 확실하게 피팅될 수 있도록, 상단 표면의 직경은 구조물의 내경과 실질적으로 동일하다. 상단 표면은 제1 개구부를 갖는다. 제1 개구부의 형상 및 크기는 테이퍼링된 단부 플러그의 더 큰 단부의 형상 및 크기와 합치된다. 삽입체는 또한, 상단 표면의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 하단 표면을 포함한다. 하단 표면은, 테이퍼링된 단부 플러그의 더 작은 단부의 형상 및 크기와 실질적으로 동일한 형상 및 크기를 가지는 제2 개구부를 갖는다. 상단 및 하단 표면이 하나 이상의 측벽에 의해서 연결되어 고체 본체를 형성한다. 상단 표면 및 하단 표면 상의 제1 및 제2 개구부가 고체 본체 내에 큰 중공형 공간을 형상하고, 그러한 중공형 공간은 단부 플러그가 삽입체에 꼭 맞게(tightly) 커플링될 수 있게 한다.
도 10a는 예시적인 삽입체(1000)의 측면도를 도시한다. 삽입체의 직경(1001)은 상응 SiC 구조물의 내경과 실질적으로 동일하다.
SiC 구조물은 다양한 고온 적용예를 위한 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 10b는 예시적인 삽입체(1000)의 횡단면도를 도시한다. 중공형 공간(1003)이 삽입체(1000)의 고체 본체(1005) 내에 형성되어 단부 플러그가 배치될 수 있게 한다.
도 11a는 다른 예시적인 삽입체(1100)의 측면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 삽입체(1100)는 외부 립(lip)(1101)을 포함한다. 외부 립(1101)은, 상단 표면으로부터 연장되고 삽입체(1100)의 하나 이상의 측벽으로부터 돌출되는 상승 부분(1103)을 포함한다. 삽입체(1100)가 접합 또는 밀봉 프로세스 중에 구조물 아래로 미끄러지지 않고 SiC 구조물의 단부의 상단부에 배치될 수 있도록, 상승 부분(1103)이 삽입체(1100)를 위한 지지를 제공한다. 밀봉된 조인트에서 삽입체 및 구조물의 균일한 외관이 달성될 수 있도록, 상승 부분의 길이(1103)는 구조물의 두께와 실질적으로 동일하다. 도 11b는 예시적인 삽입체(1100)의 횡단면도를 도시한다. 중공형 공간(1105)이 삽입체(1100)의 고체 본체(1107) 내에 형성되어 단부 플러그가 배치될 수 있게 한다.
도 10a 내지 도 11b의 예에서 도시된 바와 같은 삽입체는, 스칸듐, 티타늄, 크롬, 등과 같은 임의의 전이 금속으로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 몰리브덴이 사용된다. 삽입체가 제조된 후에, 제조된 부품을 세정한다. 일부 실시예에서, 제조된 부품이 초음파 배쓰를 이용하여 세정될 수 있다. 이어서, 세정된 부품을 폴리싱하여 표면 결점을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 세정된 부품이 산성 배쓰 내에서 전기-폴리싱된다. 이어서, 폴리싱된 삽입체가 단부 플러그와 구조물 사이에 배치될 수 있다.
도 12a는 단부 플러그(1005)를 갖는 SiC 구조물(1007) 내에 배치된 예시적인 삽입체(1000)의 측면도를 도시한다. 단부 플러그(1005)는, SiC 구조물(1007) 내에 확실하게 배치된 삽입체(1000)에 꼭 맞게 커플링된다. 도 12b는 단부 플러그(1005)를 갖는 구조물(1007) 내에 배치된 예시적인 삽입체(1000)의 사시도를 도시한다. 삽입체(1000)의 이용은 구조물(1007)의 단부에서 기계적으로 강하고 내열팽창성 및 내조사성의 밀폐 밀봉부가 형성될 수 있게 한다.
도 13a는 단부 플러그(1005)를 갖는 구조물(1007) 내에 배치된 다른 예시적인 삽입체(1100)의 측면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 외부 립(1101)은, 삽입체(1100)가 밀봉 프로세스 중에 구조물(1007) 아래로 미끄러지지 않도록 보장한다. 도 13b는 또한 단부 플러그(1005)를 갖는 구조물(1007) 내에 배치된 예시적인 삽입체(1100)의 사시도를 도시한다.
일부 실시예에서, 삽입체, 단부 플러그, 및 SiC 구조물의 조립체가 0.5 내지 5 kN의 압력으로 불활성 분위기 내에서 1500 ℃ 초과의 온도까지 열간 프레스된다. 예를 들어, 불활성 분위기가 헬륨일 수 있다. 이어서, 열간-프레스된 조립체를 2 내지 4 시간 범위의 지속시간 동안 어닐링하여 계면 잔류 응력을 감소시킨다. 도 14는 어닐링 프로세스 후의 삽입체(1401) 및 SiC 플러그(1005)의 예시적인 거대조직 및 미세조직을 도시한다. 이러한 실시예에서, 삽입체(1401)는 외부 립을 가지지 않는다. SiC 플러그(1005) 및 삽입체(1401)의 계면에서의 미세조직은 우수한 열적 스티치(stitch) 및 고정을 나타내고, 이는 소성 변형 및 어닐링을 나타낸다.
도 15는 단부 플러그를 갖는 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 삽입체를 제조하는 방법(1500)에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다. 방법(1500)은: 1502에서, 개구부 단부를 단부 플러그로 밀봉하기 위해서 세라믹 구조물의 하나의 개구부 단부와 단부 플러그 사이에 피팅되도록 성형된 본체를 포함하는 부품을 제조하는 단계로서, 그러한 본체는 제1 개구부를 가지는 제1 표면, 제2 개구부를 가지는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면을 연결하는 측벽을 포함하고, 제1 개구부 및 제2 개구부가 본체 내에 중공형 공간을 형성하여, 단부 플러그가 부품에 커플링될 수 있게 하는, 단계; 1504에서, 제조된 부품을 세정하는 단계; 및 1506에서, 표면 결점을 감소시키기 위해서 세정된 부품을 폴리싱하는 단계를 포함한다.
도 16은 세라믹 구조물을 단부 플러그 및 삽입체와 밀봉 및 접합하기 위한 방법(1600)에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다. 방법(1600)은: 1602에서, 조립체를 형성하기 위해서 삽입체를 세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 배치하는 단계; 1604에서, 그러한 조립체를 불활성 가스 조성물 내에 배치하는 단계; 1606에서, 조립체를 제1 온도 및 제1 압력 하에서 열간-프레스하는 단계; 및 1608에서, 계면 잔류 응력을 감소시키기 위해서 소정 지속 시간 동안 열간-프레스된 조립체를 어닐링하는 단계를 포함한다.
도 17은 본 기술의 하나 이상의 실시예에 따른 프로세스를 이용하여 세라믹 구조물의 양 단부들을 접합 및 밀봉한 후의 예시적인 연료봉(1700)을 도시한다. 연료봉(1700)은 이제 SiC 관형 구조물(1701), 밀봉 물질(1705)을 이용하여 관형 구조물(1701) 접합된 제1 단부 플러그(1703), 및 동일한 밀봉 물질(1705)을 이용하여 관형 구조물(1701) 접합된 제2 단부 플러그(1707)를 포함한다. 밀봉 물질(1705)은 전술한 바와 같은 프리세라믹 중합체일 수 있다. 제2 단부 플러그(1707)에 대한 충진-홀이 제2 밀봉 물질(1709)(예를 들어, 산화물, 규소, 전이 금속, 등)로 밀봉되고, 그에 따라 모든 구성요소가 이제, 하나 이상의 핵 펠릿(1711)을 포함하는 밀봉된 핵 연료봉(1700)을 형성한다.
도 7a 내지 도 7d에 도시된 실시예에서 확인될 수 있는 바와 같이, 국소화된 열이 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하는 중요한 역할을 한다. 그러나, 통상적인 밀봉 또는 접합 방법을 적용하는 것은, 희망하는 내부 압력 하에서 밀폐 조인트를 생성하기 위한 국소화된 가열을 충분하게 제공하지 못한다. 본 특허 문헌은 또한, 복합체 구조물의 국소화된 가열을 돕는 퍼니스-유형의 장치를 설명한다. 장치는 제어된 내부 압력을 유지할 수 있고, 그에 따라 통상적인 조인트 프로세싱 장비를 이용하여 실현할 수 없는, 희망 가스 조성물을 포함하는 밀폐 조인트가 만들어질 수 있게 한다.
도 18은, 세라믹 부품들을 접합 및 밀봉하기 위해서 이용될 수 있는 퍼니스의 예시적인 개략도를 도시한다. 그러한 퍼니스에서 사용되는 프로세스의 예는 프리세라믹 중합체의 열분해, 화학기상증착(CVD) 및 용융물 침투이다. 퍼니스(1800)는, 동작 온도 및 압력을 견딜 수 있는 압력 용기(1801)를 포함한다. 압력 용기(1801)가 유입구 배관 메커니즘(1811)에 커플링되어, 가스 조성물이 압력 용기 내로 유동할 수 있게 한다. 유입구 배관 메커니즘(1811)은, 상이한 밀봉 요건을 수용하기 위해서, 관의 수 및 그 각각의 배치와 관련하여 다양한 배열을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 유입구 배관 메커니즘(1811)이 복합체 구조물(1809)의 하단부 부근에서 몇 개의 균일하게 이격된 관으로서 배열되어, 가스 조성물이 병렬로 용기 내로 유동할 수 있게 한다. 퍼니스는 또한, 가스 배출구에 커플링된 좁은 관형 섹션(1803)을 포함한다. 관형 섹션은, 밀봉되는 복합체 구조물을 유지하는 내부 챔버(1805)에 커플링된다. 일부 실시예에서, 내부 챔버(1805)는 석영 슬리브 또는 석영 벨(Quartz bell)이다. 가열 메커니즘이 내부 챔버(1805)의 외측에 배치되어, 복합체 구조물(1809)의 단부를 가열할 수 있다. 예를 들어, 도 18에 도시된 바와 같이, 유도 코일(1807)이 전기적-절연 피드쓰루(feedthrough)(미도시)를 이용하여 내부 챔버(1805)의 상부 섹션의 외측에 배치된다. 유도 코일(1807)은 유도 가열을 통해서 단부 플러그(1804) 부근의 복합체 구조물(1809)의 섹션을 가열하기 위해서 RF 주파수의 진동 전류를 수신하는 것에 의해서 동작되고, 유도 코일(1807) 내의 변동 전류는 변동 자기장을 유발하고, 그러한 자기장은 복합체 구조물 내에서 와전류를 유도하여 가열을 유발한다. 내부 챔버(1805), 좁은 관형 섹션(1803) 및 가스 배출구를 이용하여, CVD와 같은 프로세스에서 이용되는 반응성 가스의 유동을 지향시킨다. 이들은 또한 프로세스에서 발생된 과다 열을 제거하기 위해서 이용될 수 있다. 퍼니스의 높이는 밀봉되는 복합체 구조물의 길이에 의해서 결정된다. 일부 실시예에서, 용기의 높이가 약 540 mm이다. 일부 실시예에서, 상이한 길이의 복합체 구조물을 수용하기 위해서 (예를 들어, 파이프의 모듈형 섹션을 용기에 부가하는 것에 의해서) 용기의 높이가 조정될 수 있다.
도 19는 내부 챔버(1805), 좁은 관형 섹션(1803), 및 코일(1807)의 예시적인 개략도를 도시한다. 내부 챔버(1805)는 가스 조성물을 퍼니스(1800)의 벽으로부터 격리시킨다. 일부 실시예에서, 내부 챔버(1805)는 또한 코팅하고자 하는 복합체 구조물에 걸쳐 가스 조성물의 유동을 지향시킨다. 이러한 실시예에서, 내부 챔버(1805)는, 슬리브 본체를 따라 불균일한 횡단면을 가지는 석영 슬리브이다. 코일(1807) 부근의 석영 슬리브의 직경은 약 70 mm인 반면, 석영 슬리브의 다른 섹션의 직경은 약 110 mm이다.
도 20은 내부 챔버(1805), 좁은 관형 섹션(1803), 및 코일(1807)의 다른 예시적인 개략도를 도시한다. 이러한 특정 실시예에서, 내부 챔버(1805)는 본체를 따라 균일한 횡단면을 갖는다. 이러한 예에서, 복합체 구조물(2001)은 내부 슬리브의 내측에 배치된다. 복합체 구조물(2001)은 구조물(2001)의 일 단부에 배치된 단부 플러그(2003)를 갖는다.
도 21는 CVI 프로세스를 구현하기 위한 퍼니스 시스템의 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 특정 실시예에서, 펌프(2105)가 퍼니스(1800)에 연결되어, 퍼니스(1800) 내의 압력을 제어한다. 가열 메커니즘이 퍼니스(1800) 내에 배치되어, 복합체 구조물의 단부에 대한 국소화된 가열을 제공한다. 예를 들어, 가열 메커니즘은 RF 코일을 이용하여 구현될 수 있다. 전류가 RF 코일(1807)을 통해서 지향되어, 유도 가열에 의해서 석영 슬리브(1805)의 일부를 가열하고, 그에 따라 복합체 구조물(2111)의 국소화된 밀봉을 가능하게 한다. 이러한 예시적인 설정에서, 서셉터 블록(2101)이 SiC 단부 플러그(2103) 위에 배치된다. 동작에서, 서셉터 블록(2101)은 RF 코일(1807)에 의해서 방출되는 전자기 에너지를 흡수하고, 흡수된 에너지를 열로 변환하며, 그러한 열은, SiC 밀봉 플러그(2103) 및 복합체 구조물(2111)을 접합하기 위한, 서셉터 블록(2101) 아래의 SiC 밀봉 플러그(2103)의 가열 및 복합체 구조물(2111)의 인접 영역의 가열을 촉진한다. 이러한 가열된 접합 프로세스의 완료 시에, 그렇게 형성된 SiC 밀봉 플러그(2103)와 복합체 구조물(2111) 사이의 조인트 접합은 양호한 기계적 강도를 나타내고, 이는 복합체 제조 프로세스에서 유리하다. 접합/밀봉 프로세스가 완료된 후에, 서셉터 블록(2101)의 상단 부분이 제거될 수 있고, 예를 들어 컷팅되거나 가공되어 제거될 수 있다.
그러나, CVI 프로세스는 긴 시간을 필요로 할 수 있고 고비용일 수 있다. 일부 실시예에서, CVI 프로세스를 위한 압력 요건으로 인해서, 복합체 구조물의 내측에서 He와 같은 희망 가스 조성물을 밀봉하는 것이 어려울 수 있다. 도 22는, 희망 가스 조성물의 이용을 가능하게 하는 액체 규소 유동 프로세스를 구현하기 위한 퍼니스 시스템의 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 실시예에서, SiC 플러그(2203)가 수지로 먼저 코팅되고, 그러한 수지는 고온에서 다공성 물질(예를 들어, 탄소)이 된다. 이어서, Si(2205)의 얇은 층이 코팅된 SiC 플러그(2203)와 서셉터 블록(2201) 사이에 배치된다. Si 층(2205)은 고온(예를 들어, 1450 ℃ 이상)에서 용융되고, 다공성 물질(예를 들어, 탄소)과 반응하여 SiC을 형성한다. 이러한 특정 실시예에서, 가스 유입구 및 좁은 관형 섹션(2211)이 하단 측면으로부터 석영 슬리브(1805)에 커플링된다. RF 코일(1807)이 석영 슬리브(1805)의 일부를 가열하여, 복합체 구조물(2215)의 국소화된 밀봉을 가능하게 한다. 펌프(2213)가 또한 퍼니스(1800)에 연결되어, 퍼니스(1800) 내의 압력을 제어한다. 이러한 유형의 구성의 하나의 장점은 그 짧은 프로세싱 시간이다. 또한 Si 층은 액체에서 고체로 전환되고, 이러한 전환 중에 팽창되며, 그에 따라 SiC 플러그가 밀봉되면, 구조적 공극이 거의 존재하지 않는다. 이러한 구성은 또한, He 또는 Ar과 같은 희망 가스 조성물이 복합체 구조물의 내측에서 밀봉될 수 있게 한다. 그러나, 간극 내의 일부 미반응 Si가 있을 수 있기 때문에, 밀봉된 단부의 기계적 강도는 도 21에 도시된 CVI 구성을 이용하여 제조된 것만큼 양호하지 않을 수 있다.
밀봉 프로세스 중에, 퍼니스 시스템의 동작 온도 및 압력이, 다양한 모니터 및 조절기를 이용하여, 모니터링되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 23은 퍼니스 시스템(2300)을 위한 모니터링 메커니즘의 예시적인 개략도를 도시한다. 몇 개의 온도 모니터가 이러한 실시예에서 이용된다. 열전쌍(2301)을 이용하여 복합체 구조물의 온도를 모니터링한다. 고온계는, 석영 관찰 가능 유리(2305)를 통해서, 조인트 지역 부근의 지역(2303)의 온도 판독 값을 제공한다. 지역(2303)은 서셉터 블록, 서셉터 블록에 인접한 복합체 구조물의 지역, 단부 플러그, 또는 단부 플러그에 인접한 복합체 구조물의 지역일 수 있다. 온도 모니터링은 또한 접촉 열전쌍으로 석영 관찰 가능 유리(2305)에서, 코일(2307)을 위한 전기 피드쓰루에서, 및/또는 퍼니스(2309)의 상단 플랜지에서 실시될 수 있다. 시스템은 또한, 가스 조성물을 퍼니스에 공급하는 가스 저장부(2315)를 포함한다. 퍼니스의 내부 압력을 모니터링하기 위해서, 압력 모니터(2311)가 사용될 수 있다. 다른 압력 모니터(2313)를 이용하여 필터-후 가스 압력을 모니터링할 수 있다. 부가적인 모니터링이 또한 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 과열을 방지하기 위해서, 전류, 주파수, 및 적절한 냉각제 유동을 포함하는, RF 코일의 여러 가지 양태가 모니터링된다.
도 24는 퍼니스 시스템을 위한 배출구 모니터링 메커니즘의 다른 예시적인 개략도를 도시한다. 배출구 모니터링 메커니즘은, 필터-전 가스 압력을 제어할 수 있는 배압 조절기(BPR)(2401), 및 2개의 압력 변환기(2403 및 2405)를 포함한다. 압력 변환기(2403 및 2405)를 이용하여 필터-전 가스 압력 및 필터-후 가스 압력 모두를 모니터링하는 것은, 시스템이 필터(2407)에 걸친 압력 강하를 기초로, 필터(2407)에 약간의 레벨의 막힘이 있는지의 여부를 결정할 수 있게 한다.
도 25는 핵 반응로에서 이용되는 세라믹 구조물을 밀봉하는 방법에 대한 예시적인 흐름도를 도시한다. 그러한 방법은: 2502에서, 세라믹 구조물을 밀봉 디바이스의 챔버 내에 배치하는 단계; 2504에서, 플러그를 세라믹 구조물의 단부에 배치하는 단계로서, 밀봉 물질이 세라믹 구조물과 플러그 사이에 배치되는 단계; 2506에서, 서셉터 블록을 플러그 위에 배치하는 단계; 및 2508에서, 높은 온도까지 세라믹 구조물의 단부 및 서셉터 블록을 가열하여 플러그 및 세라믹 구조물의 단부에서 플러그와 접촉되는 세라믹 구조물의 부분을 접합하기 위해서, 그에 따라 세라믹 구조물의 단부를 밀봉하기 위해서, 변동 전류로 챔버의 외측에 배열된 복수의 유도 코일을 구동하는 단계를 포함한다.
본 특허 문헌이 많은 구체적인 내용을 포함하지만, 이는 임의의 본 발명의 범위 또는 청구될 수 있는 범위에 대한 제한으로서 해석되지 않아야 하고, 오히려 특별한 발명의 특정 실시예에 대해서 특정되는 특징의 설명으로서 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 문맥에서 본 특허 문헌에서 설명된 특정의 특징들이 또한 단일 실시예에서 조합되어 실시될 수 있다. 역으로, 단일 실시예의 문맥에서 설명된 여러 가지 특징이 또한 복수의 실시예에서 별개로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 실시될 수 있다. 또한, 특징이 특정 조합으로 작용하는 것으로 앞서서 설명되어 있을 수 있고 그와 같이 초기에 청구되어 있을 수도 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징이, 일부 경우에, 그러한 조합으로부터 삭제될 수 있고, 청구된 조합이 하위 조합 또는 하위 조합의 변경예에 관한 것일 수 있다.
유사하게, 비록 동작이 특별한 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이는, 그러한 동작이 도시된 특별한 순서 또는 순차적인 순서로 실시될 것 또는 희망 결과를 달성하기 위해서 모든 예시된 동작이 실시될 것을 요구하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 또한, 본 특허 문헌에서 설명된 실시예 내의 여러 시스템 구성요소의 분리는 모든 실시예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되지 않아야 한다.
몇몇 구현예 및 예만이 설명되었고, 본 특허 문헌에서 설명되고 예시된 것을 기초로 다른 구현예, 향상 및 변경이 이루어질 수 있다.
Claims (82)
- 세라믹 구조물 및 단부 플러그를 접합 및 밀봉하기 위한 방법이며:
밀봉 물질을 이용하여 관형 구조물 및 관형 구조물의 내측에 위치된 단부 플러그를 포함하는 세라믹 구조물의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀을 포함하도록 구조화되는, 단계;
홀을 통해서 관형 구조물을 희망 가스 조성물로 충진하는 단계;
열원을 이용하여 물질을 용융 형태로 가열하는 단계; 및
상기 물질을 홀 내로 지향시키는 단계로서, 물질이 응고되어 단부 플러그를 밀봉하는, 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
조인트를 형성하는 단계가
세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 밀봉 물질을 도포하는 단계로서, 밀봉 물질은 프리세라믹 중합체 및 복수의 개재물을 포함하는, 단계;
밀봉 물질로부터 고체 세라믹을 형성하는 단계; 및
세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함하는 결정질 매트릭스를 형성하기 위해서 고체 세라믹을 결정화하는 단계로서, 복수의 개재물이 결정질 매트릭스 내에 배치되는, 단계를 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서,
개재물은, 세라믹 다형체를 포함하는 구체, 플레이크, 위스커, 섬유, 또는 불규칙적인 형상을 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서,
밀봉 물질이 제1 온도에서 경화되고 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 열분해되어 고체 세라믹을 형성하며, 고체 세라믹은 제2 온도보다 높은 제3 온도에서 결정화되는, 방법. - 제2항에 있어서,
희망 가스 조성물의 충진 전에, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층을 결정질 매트릭스 상에 형성하는 것에 의해서, 조인트를 강화하는 단계로서, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층이 세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함하는, 단계를 더 포함하는, 방법. - 제5항에 있어서,
조인트를 강화하는 단계가 화학적 증기 침투(CVI)를 이용하여 실시되는, 방법. - 제5항에 있어서,
결정질 매트릭스는 균열, 소공, 또는 공극을 더 포함하고, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층은 균열, 소공, 또는 공극을 통해서 결정질 매트릭스 내로 부분적으로 또는 완전히 침투하는, 방법. - 제1항에 있어서,
희망 가스 조성물이 헬륨 가스를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
용융된 물질이 높은 용융-온도를 가지는, 방법. - 제9항에 있어서,
용융된 물질이 산화물, 규소, 또는 전이 금속을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
관상형 구조물 내에서 저압을 생성하는 단계; 및
희망 가스 조성물의 충진에 앞서서, 저압 하에서 조인트를 강화하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
밀봉 물질을 단부 플러그의 외부 표면에 도포하는 단계; 및
제2 저압 하에서 단부 플러그를 강화하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
강화하는 단계가 화학기상증착(CVD)을 이용하여 실시되는, 방법. - 제1항에 있어서,
용융 형태의 물질이, 홀 내에서 유동하는 동안, 응고되는, 방법. - 제1항에 있어서,
용융 형태의 물질은, 열원이 제거된 후에, 응고되는, 방법. - 제1항에 있어서,
접합된 세라믹 구조물 및 단부 플러그를 적어도 1350 ℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 세라믹 구조물을 접합 및 밀봉하기 위한 방법이며:
밀봉 물질을 이용하여 세라믹 구조물 및 단부 플러그의 조인트를 형성하는 단계로서, 단부 플러그는, 단부 플러그의 상단 표면 및 하단 표면을 통해서 연장되는 홀, 및 홀 내에 배치되는 핀을 포함하는 본체를 가지는, 단계;
물질을 단부 플러그의 홀 내에 배치하는 단계;
물질을 가열하기 위해서 단부 플러그 부근의 세라믹 구조물의 섹션에 열을 인가하는 단계; 및
핀이 홀 내의 가열된 물질을 가압하여 단부 플러그를 밀봉하도록, 핀에 압력을 인가하는 단계를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
조인트를 형성하는 단계가
세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 밀봉 물질을 도포하는 단계로서, 밀봉 물질은 프리세라믹 중합체 및 복수의 개재물을 포함하는, 단계;
밀봉 물질로부터 고체 세라믹을 형성하는 단계; 및
세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함하는 결정질 매트릭스를 형성하기 위해서 고체 세라믹을 결정화하는 단계로서, 복수의 개재물이 결정질 매트릭스 내에 배치되는, 단계를 포함하는, 방법. - 제18항에 있어서,
개재물은, 세라믹 다형체를 포함하는 구체, 플레이크, 위스커, 섬유, 또는 불규칙적인 형상을 포함하는, 방법. - 제18항에 있어서,
밀봉 물질이 제1 온도에서 경화되고 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 열분해되어 고체 세라믹을 형성하며, 고체 세라믹은 제2 온도보다 높은 제3 온도에서 결정화되는, 방법. - 제18항에 있어서,
실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층을 결정질 매트릭스 상에 형성하는 것에 의해서, 조인트를 강화하는 단계로서, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층이 세라믹 구조물 및 단부 플러그와 동일한 세라믹 다형체를 포함하는, 단계를 더 포함하는, 방법. - 제21항에 있어서,
조인트를 강화하는 단계가 화학적 증기 침투(CVI)를 이용하여 실시되는, 방법. - 제21항에 있어서,
결정질 매트릭스는 균열, 소공, 또는 공극을 더 포함하고, 실질적으로 가스 불투과적인 밀봉 층은 균열, 소공, 또는 공극을 통해서 결정질 매트릭스 내로 부분적으로 또는 완전히 침투하는, 방법. - 제17항에 있어서,
홀을 통해서 희망 가스 조성물로 세라믹 구조물을 충진하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
희망 가스 조성물의 압력을 증가시키는 것에 의해서 압력이 핀에 인가되는, 방법. - 제17항에 있어서,
접합된 세라믹 구조물 및 단부 플러그를 적어도 1350 ℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 세라믹 구조물의 단부를 밀봉하기 위한 디바이스이며:
세라믹 구조물의 하나의 개구부 단부 내로 피팅되어 그 개구부 단부를 밀봉하도록 성형된 디바이스 본체를 포함하고, 디바이스 본체는 세라믹 물질을 포함하고, 제1 개구부를 가지는 제1 표면 및 제2 개구부를 가지는 제2 표면을 포함하도록 성형되며, 그리고
제1 개구부 및 제2 개구부는 디바이스 본체 내에 중공형 공간을 형성하고, 중공형 공간은 세라믹 구조물의 내부 지역 내로의 통로를 제공하고 통로를 밀봉하기 위해서 밀봉 물질로 충진될 수 있는, 디바이스. - 제27항에 있어서,
제1 개구부의 직경 및 제2 개구부의 직경이 실질적으로 동일한, 디바이스. - 제27항에 있어서,
세라믹 물질이 규소 탄화물(SiC)을 포함하는, 디바이스. - 제27항에 있어서,
디바이스 본체는, 디바이스의 중심 축을 따라서 테이퍼링된 하위섹션을 포함하는, 디바이스. - 제27항에 있어서,
디바이스 본체 내의 통로의 일부로서의 중공형 공간 내로 피팅되도록 그리고 통로를 밀봉하기 위해서 밀봉 물질을 가압하도록 성형된 핀을 더 포함하는, 디바이스. - 제31항에 있어서,
핀이 세라믹 물질을 포함하는, 디바이스. - 핵 연료봉이며:
제1 세라믹 물질을 포함하는 관형 구조물;
제1 밀봉 물질을 이용하여 관형 구조물의 제1 단부와 접합되는 제1 플러그;
상기 제1 밀봉 물질을 이용하여 관형 구조물의 제2 단부와 접합되는 제2 플러그로서, 제2 플러그는, 제1 개구부를 가지는 제1 표면 및 제2 개구부를 가지는 제2 표면을 포함하도록 성형된 본체를 포함하고, 제1 개구부 및 제2 개구부는 제2 플러그의 본체 내에 중공형 공간을 형성하는, 제2 플러그;
제2 물질이 제2 플러그를 밀봉하도록 제2 플러그의 중공형 공간 내에 배치되는 제2 밀봉 물질; 및
관형 구조물 내에 배치된 하나 이상의 핵 연료 펠릿을 포함하는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
세라믹 물질이 규소 탄화물(SiC)을 포함하는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제1 밀봉 물질이 프리세라믹 중합체인, 핵 연료봉. - 제35항에 있어서,
프리세라믹 중합체가 복수의 개재물을 포함하는, 핵 연료봉. - 제36항에 있어서,
프리세라믹 중합체가 폴리카보실란이고, 개재물은 규소 탄화물 분말의 형태인, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제1 플러그가 테이퍼링된 본체를 가지는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제1 플러그가 규소 탄화물 물질을 포함하는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제2 플러그의 본체가, 제2 플러그의 중심 축을 따라서 테이퍼링되는 섹션을 포함하는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제2 플러그가 규소 탄화물 물질을 포함하는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제2 플러그는, 디바이스 본체 내의 통로의 일부로서의 중공형 공간 내로 피팅되도록 그리고 제2 플러그를 밀봉하기 위해서 제2 밀봉 물질을 가압하도록 성형된 핀 또는 삽입체를 포함하는, 핵 연료봉. - 제42항에 있어서,
핀 또는 삽입체가 규소 탄화물 물질을 포함하는, 핵 연료봉. - 제33항에 있어서,
제2 밀봉 물질이 산화물, 규소, 또는 전이 금속을 포함하는, 핵 연료봉. - 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 장치이며:
세라믹 구조물을 유지하기 위한 그리고 가스를 포함하기 위한 챔버;
가스 조성물을 챔버로 또는 챔버로부터 지향시키기 위해서 챔버에 커플링된 가스 유입구; 및
챔버 내의 가스 내의 세라믹 구조물의 섹션의 온도를 높이기 위한 유도 가열을 유발하도록 동작될 수 있는, 챔버의 외측에 배열된 복수의 코일을 포함하는, 장치. - 제45항에 있어서,
챔버가 석영으로 제조되는, 장치. - 제45항에 있어서,
챔버가 균일한 횡단면을 가지는, 장치. - 제45항에 있어서,
챔버가 제1 단부에서 작은 횡단면을 그리고 제2 단부에서 큰 횡단면을 가지는, 장치. - 제48항에 있어서,
제1 단부의 직경이 약 70 mm인, 장치. - 제48항에 있어서,
제2 단부의 직경이 약 110 mm인, 장치. - 제45항에 있어서,
가스 조성물이 He 또는 Ar을 포함하는, 장치. - 제45항에 있어서,
복수의 코일이 무선주파수(RF) 코일인, 장치. - 제45항에 있어서,
높은 동작 온도에서 강건한, 외부 챔버 및 플랜지를 더 포함하는, 장치. - 제53항에 있어서,
외부 챔버가 약 540 mm의 높이를 가지는, 장치. - 세라믹 구조물을 밀봉하는 방법이며:
세라믹 구조물을 밀봉 디바이스의 챔버 내에 배치하는 단계;
플러그를 세라믹 구조물의 단부에 배치하는 단계로서, 밀봉 물질이 세라믹 구조물과 플러그 사이에 배치되는 단계;
서셉터 블록을 플러그에 인접 배치하는 단계; 그리고
높은 온도까지 세라믹 구조물의 단부 및 서셉터 블록을 가열하여 플러그 및 세라믹 구조물의 단부에서 플러그와 접촉되는 세라믹 구조물의 부분을 접합하기 위해서, 그에 따라 세라믹 구조물의 단부를 밀봉하기 위해서, 변동 전류로 챔버의 외측에 배열된 복수의 유도 코일을 구동하는 단계를 포함하는, 방법. - 제55항에 있어서,
세라믹 구조물의 단부의 밀봉부가 화학적 증기 침투(CVI) 프로세스 또는 화학기상증착(CVD) 프로세스에 의해서 획득되는, 방법. - 제56항에 있어서,
밀봉부가 획득된 후에, 서셉터 블록의 섹션을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제56항에 있어서,
플러그와 서셉터 블록 사이에 규소의 층을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제55항에 있어서,
세라믹 구조물의 단부의 밀봉부가 액체 규소 유동 프로세스에 의해서 획득되는, 방법. - 제55항에 있어서,
규소의 층이, 고온에서 용융되도록 그리고 서셉터 블록과 반응하도록 구성되는, 방법. - 제55항에 있어서,
세라믹 구조물의 단부의 가열에 앞서서, 가스 조성물을 세라믹 구조물 내로 지향시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 세라믹 구조물의 밀봉 시스템이며:
가스 조성물을 공급하기 위한 가스 저장부,
세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 장치로서:
세라믹 구조물을 유지하기 위한 챔버;
가스 조성물을 챔버로 지향시키기 위해서 챔버에 커플링된 가스 유입구; 및
챔버의 외측에 배열된 복수의 코일로서, 챔버 내에서 유지되는 세라믹 구조물의 섹션의 온도를 높이기 위해서 유도 가열할 수 있는, 복수의 코일을 포함하는, 세라믹 구조물을 밀봉하기 위한 장치,
장치의 하나 이상의 온도를 모니터링하기 위한 하나 이상의 온도 모니터, 및
장치의 압력을 제어하기 위한 하나 이상의 압력 조절기를 포함하는, 시스템. - 제62항에 있어서,
하나 이상의 온도 모니터는 세라믹 구조물의 온도를 모니터링하기 위한 열전쌍을 포함하는, 시스템. - 제62항에 있어서,
하나 이상의 온도 모니터는 세라믹 구조물의 섹션의 온도를 모니터링하기 고온계를 포함하는, 시스템. - 제62항에 있어서,
하나 이상의 온도 모니터는 챔버의 온도를 보고하기 위한 온도 모니터를 더 포함하는, 시스템. - 제62항에 있어서,
하나 이상의 압력 조절기가 배압 조절기를 포함하는, 시스템. - 제62항에 있어서,
장치로부터 방출되는 배출 가스를 필터링하기 위한 필터를 더 포함하는, 시스템. - 제67항에 있어서,
필터의 통과 전에, 배출 가스의 압력을 모니터링하기 위한 필터-전 가스 압력 모니터를 더 포함하는, 시스템. - 제67항에 있어서,
필터의 통과 후에, 배출 가스의 압력을 모니터링하기 위한 필터-후 가스 압력 모니터를 더 포함하는, 시스템. - 세라믹 구조물을 단부 플러그로 밀봉하기 위한 디바이스이며:
단부 플러그로 개구부 단부를 밀봉하기 위해서 세라믹 구조물의 하나의 개구부 단부와 단부 플러그 사이에 피팅되도록 성형된 본체를 포함하고, 본체는 제1 개구부를 가지는 제1 표면, 제2 개구부를 가지는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면을 연결하는 측벽을 포함하고,
제1 개구부 및 제2 개구부는 본체 내에서 중공형 공간을 형성하여 단부 플러그가 디바이스에 커플링될 수 있게 하는, 디바이스. - 제70항에 있어서,
제1 표면으로부터 연장되고 측벽으로부터 돌출되는 상승 부분을 더 포함하는, 삽입체. - 제70항에 있어서,
삽입체가 전이 금속으로 제조되는, 삽입체. - 제72항에 있어서,
전이 금속이 몰리브덴인, 삽입체. - 세라믹 구조물을 단부 플러그로 밀봉 또는 접합하기 위한 삽입체 제조 방법이며:
부품을 제조하는 단계로서, 부품은:
단부 플러그로 개구부 단부를 밀봉하기 위해서 세라믹 구조물의 하나의 개구부 단부와 단부 플러그 사이에 피팅되도록 성형된 본체를 포함하고, 본체는 제1 개구부를 가지는 제1 표면, 제2 개구부를 가지는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면을 연결하는 측벽을 포함하고,
제1 개구부 및 제2 개구부가 본체 내에 중공형 공간을 형성하여, 단부 플러그가 부품에 커플링될 수 있게 하는, 단계;
제조된 부품을 세정하는 단계, 및
표면 결점을 감소시키기 위해서 세정된 부품을 폴리싱하는 단계를 포함하는, 방법. - 제74항에 있어서,
세정하는 단계가 초음파 배쓰를 이용하여 실시되는, 방법. - 제75항에 있어서,
세정된 부품을 폴리싱하는 단계는 세정된 부품을 산성 배쓰 내에서 전기-폴리싱하는 단계를 포함하는, 방법. - 세라믹 구조물을 단부 플러그 및 삽입체와 밀봉 또는 접합하는 방법이며:
조립체를 형성하기 위해서 삽입체를 세라믹 구조물과 단부 플러그 사이에 배치하는 단계,
조립체를 불활성 가스 조성물 내에 배치하는 단계,
조립체를 제1 온도 및 제1 압력 하에서 가열하는 단계, 및
계면 잔류 응력을 감소시키기 위해서 소정 지속 시간 동안 조립체를 어닐링하는 단계를 포함하는, 방법. - 제77항에 있어서,
불활성 가스 조성물이 헬륨인, 방법. - 제77항에 있어서,
제1 온도가 1500 ℃ 초과인, 방법. - 제77항에 있어서,
지속 시간이 2 내지 4 시간인, 방법. - 제77항에 있어서,
조립체를 가열하는 단계가:
제1 압력을 생성하기 위한 힘을 조립체에 인가하는 단계, 및
제1 온도 및 제1 압력 하에서 조립체를 열간-프레스하는 단계를 포함하는, 방법. - 제81항에 있어서,
힘이 0.5 내지 5 kN인, 방법.
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