SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核能的核燃料包殼管封裝技術(shù)，具體涉及一種SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法，主要用于防止包殼管端口接頭處核輻射泄露。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，日本福島的核輻射泄露事故，造成了慘痛的傷亡。事故發(fā)生后，相關(guān)人員究其原因，發(fā)現(xiàn)是核燃料的包殼管----Zr管，與反應(yīng)堆中的水在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)放出大量的氫氣聚集，發(fā)生爆炸，引起核輻射泄露。事故現(xiàn)場(chǎng)核輻射放射劑量較大，對(duì)周邊環(huán)境影響嚴(yán)重。之后，麻省理工大學(xué)(MIT)相關(guān)人員就SiC/SiC復(fù)合材料能否作為核燃料包殼管，能否切實(shí)保障核安全作了大量基礎(chǔ)研究，研究表明SiC/SiC復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐輻射、耐高溫、耐腐蝕且對(duì)核燃料無(wú)污染等性能，使得SiC/SiC復(fù)合材料成為下一代壓水反應(yīng)堆最具競(jìng)爭(zhēng)力的、安全性高的包殼管材料。
[0003]核包殼管有其特殊性:其一，包殼管是薄壁細(xì)長(zhǎng)管，外徑10cm，壁厚1mm，管長(zhǎng)4m;其二，當(dāng)發(fā)生核事故時(shí)，要能承受1200°C以上25MPa的內(nèi)脹力；其三，氣密性要好，防止殼內(nèi)輻照產(chǎn)生的氣體泄漏。核包殼管不僅要耐高溫而且要有好的氣密性，使得SiC/SiC核包殼管的封裝成為其能否得到應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法，涉及到Y(jié)203-Al203-Si02玻璃陶瓷的封裝技術(shù)，以及包殼管端口的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，推進(jìn)SiC/SiC核包殼管應(yīng)用到核反應(yīng)堆上，將核輻射泄露事故防患于未然，提高核反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。
[0006]技術(shù)方案
[0007]—種SiC/SiC復(fù)合材料塞頭，其特征在于:塞頭為T(mén)型圓柱形結(jié)構(gòu)，T型結(jié)構(gòu)堵頭的下端設(shè)有置放封裝劑的儲(chǔ)料區(qū)凹槽。
[0008]在凹槽與堵頭之間設(shè)有鉚釘孔。
[0009]T型結(jié)構(gòu)堵頭的下端設(shè)有連接螺紋。
[0010]—種利用SiC/SiC復(fù)合材料塞頭實(shí)現(xiàn)SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的方法，其特征在于步驟如下:
[0011]步驟1:將SiC/SiC復(fù)合材料塞頭、SiC/SiC復(fù)合材料包殼管放入酒精中超聲波清洗30min?60min，將清洗后的塞頭和包殼管放入烘箱中烘干；
[0012]步驟2:將封裝劑涂覆在SiC/SiC塞頭和SiC/SiC包殼管內(nèi)壁，并使得SiC/SiC塞頭的儲(chǔ)料區(qū)凹槽內(nèi)充滿(mǎn)封裝劑，然后將塞頭裝入SiC/SiC復(fù)合材料包殼管待封裝端口，并清理塞頭和SiC/SiC包殼管外殘留物，完成預(yù)封裝；
[0013]步驟3:將預(yù)封裝件放入真空爐，在真空環(huán)境中，按升溫速率5?20°C/min從室溫升至1360°C?1420°C，保溫30min?45min;再以降溫速度1?2°C/min降溫至1300°C?1350°C，并保溫60min?75min;最后以降溫速度5?20°C/min降至室溫。
[0014]當(dāng)SiC/SiC復(fù)合材料塞頭采用權(quán)利要求2所述結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在步驟1中清洗烘干穿入鉚釘孔的鉚釘，在步驟2將塞頭裝入SiC/SiC復(fù)合材料包殼管待封裝端口后將鉚釘鉚入鉚釘孔中。
[0015]當(dāng)SiC/SiC復(fù)合材料塞頭采用權(quán)利要求3所述結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口的內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，在步驟2將塞頭通過(guò)螺紋旋入SiC/SiC復(fù)合材料包殼管端口。
[0016]所述烘箱溫度為150?200°C，烘干時(shí)間為2_4h。
[0017]—種用于所述SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的方法的封裝劑，其特征在于組份為 Y2O3、A1203 和 Si02 ；質(zhì)量配比為:10 % ?20 % 的 Y2O3、20 % ?40 % 的 ΑΙ2Ο3、40 % ?70 %的Si02;組合物中各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0018]所述Υ203、Α1203和Si02的粒度為0.1-1微米。
[0019]—種制備所述封裝劑的方法，其特征在于步驟如下:
[0020]步驟1:將質(zhì)量配比為10 %?20 %的Y2O3、20 %?40 %的ΑΙ2Ο3、40 %?70 %的Si02進(jìn)行混合球磨；
[0021 ]步驟2:加入酒精混合均勻制成封裝劑，所述加入的酒精量為混合料的90wt%。
[0022]有益效果
[0023]本發(fā)明提出的一種SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法，在SiC/SiC復(fù)合材料核包殼管端口封裝的塞頭上設(shè)有凹槽，使其端口既具有良好的氣密性，又能抵抗核反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體內(nèi)脹力，防止核輻射泄露。同時(shí)采與SiC/SiC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)相近、潤(rùn)濕性良好的殼管封裝劑材料進(jìn)行封口。本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)本發(fā)明中設(shè)計(jì)的SiC/SiC包殼管的端口封裝結(jié)構(gòu)及封裝技術(shù)使其端口既具有良好的氣密性，也防止核反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體內(nèi)脹力使得塞頭迸出，防止核輻射泄露，提高核反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是SiC/SiC端口無(wú)鉚釘封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
[0025]圖2是SiC/SiC端口含鉚釘封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
[0026]圖3是SiC/SiC端口螺紋封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
[0027]圖4是本發(fā)明的流程圖。
[0028]圖5是封裝層的微觀形貌示意圖。
[0029]a圖為封裝層的整體形貌圖，b圖為封裝層界面處的局部放大圖。
[0030]Ι-SiC/SiC復(fù)合材料塞頭，2-封裝劑的儲(chǔ)料區(qū)凹槽，3-封裝面，4_包殼管，5_鉚釘，6-螺紋。
【具體實(shí)施方式】
[0031]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0032]實(shí)施例一:
[0033]本實(shí)施例是在SiC/SiC復(fù)合材料片上做封裝測(cè)試。所涉及SiC/SiC復(fù)合材料片的尺寸為:10xl0x3(mm)，待封裝面尺寸為lOxlO(mm)。
[0034]本實(shí)施例的具體過(guò)程包括以下步驟:
[0035]步驟一、清洗待連接片。
[0036]將待封裝的SiC/SiC復(fù)合材料片放入酒精中超聲波清洗30min，將清洗后的復(fù)合材料片放入烘箱中烘干，烘箱溫度為150°C，烘干時(shí)間為2h。
[0037]步驟二、配備封裝劑。
[0038]采用尺度在0.8μπι的Y203、A1203、Si02三種粉料，其配比質(zhì)量比為:Υ20310.31%、Α120314.77 %、Si0274.92%,將三者混合球磨5h，使其混合均勻。取適量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70wt%，混合均勻制成封裝劑，封存?zhèn)溆谩?br>[0039]步驟三、預(yù)封裝。
[0040]從步驟二中取適量封裝劑，在兩片SiC/SiC復(fù)合材料的待封裝面均勻涂上封裝劑，將兩片涂有封裝劑的面接觸且對(duì)齊，并清理SiC/SiC復(fù)合材料片外殘留物，完成預(yù)封裝。
[0041]步驟四、封裝。
[0042]將步驟三預(yù)封裝件放入真空爐，在真空環(huán)境中，按升溫速率5°C/min從室溫升至1420°C，保溫45min;再以降溫速度2°C/min降溫至1350°C，并保溫60min ；最后以降溫速度5°C/min降至室溫。完成SiC/SiC復(fù)合材料片的封裝。
[0043]實(shí)施例二:
[0044]本實(shí)施例是在SiC/SiC復(fù)合材料包殼管上，采用無(wú)鉚釘?shù)姆庋b結(jié)構(gòu)，對(duì)核包殼管端口進(jìn)行封裝。所涉及到的SiC/SiC復(fù)合材料包殼管尺寸:外徑12.50mm、管厚2mm、管長(zhǎng)130mm。
[0045]本實(shí)施例的具體過(guò)程包括以下步驟:
[0046]步驟一、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及端頭加工。
[0047]包殼管的端口封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為:塞頭無(wú)鉚釘連接設(shè)計(jì)，在SiC/SiC復(fù)合材料的塞頭設(shè)計(jì)封裝劑的儲(chǔ)料區(qū)。根據(jù)設(shè)計(jì)加工SiC/SiC復(fù)合材料塞頭、SiC/SiC復(fù)合材料包殼管(見(jiàn)圖
Do
[0048]步驟二、清洗待連接件。
[0049]將塞頭和包殼管放入酒精中超聲波清洗30min，將清洗后的塞頭和包殼管放入烘箱中烘干，烘箱溫度為200°C，烘干時(shí)間為3h。
[0050]步驟三、配備封裝劑。
[0051 ] 采用尺度在Ιμπι的Y203、Al203、Si02三種粉料，其配比質(zhì)量比為:Y203 10.31%、Α120314.77%,Si02 74.92%,將三者混合球磨5h，使其混合均勻。取適量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70