一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件及其制備方法，屬于核反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域。所述高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件，由不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、外瓷管、下可伐帽、內(nèi)瓷管、上可伐帽和可伐導(dǎo)針組成。具體制備方法如下：首先將外瓷管、內(nèi)瓷管在封接部位進(jìn)行鉬錳金屬化，再將金屬化后的外瓷管、內(nèi)瓷管與下可伐帽、上可伐帽、可伐套管、可伐導(dǎo)針和不銹鋼金屬法蘭盤進(jìn)行組裝；將組裝好的組件放置于石墨夾具中，在一定溫度和真空條件下進(jìn)行真空釬焊，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。
【專利說(shuō)明】
一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件及其制備方法，屬于核反應(yīng)堆
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫氣冷堆用氦氣作冷卻劑，石墨作慢化材料，采用包覆顆粒燃料以及全陶瓷的 堆芯結(jié)構(gòu)材料。高溫氣冷堆一回路壓力邊界由反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器承壓殼和熱氣 導(dǎo)管承壓殼組成，在一回路中使用電氣貫穿件是防止反應(yīng)堆的放射性氣體向環(huán)境泄漏而采 取的必要而有效的辦法之一。
[0003] 由于高溫氣冷堆一回路中密封介質(zhì)為高溫、高壓的純氦氣，同時(shí)高溫氣冷堆設(shè)計(jì) 中將動(dòng)密封問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜密封問(wèn)題，因此高溫氣冷堆對(duì)于一回路中電氣貫穿件的要求很 高，制造技術(shù)難度也很大。電氣貫穿件作為高溫氣冷堆的核心設(shè)備，對(duì)于確保高溫氣冷堆一 回路壓力邊界的完整性至關(guān)重要，是高溫氣冷堆安全防護(hù)最重要的屏障。
[0004] 高溫氣冷堆一回路電氣貫穿件與壓水堆核電站安全殼上電氣貫穿件的使用要求 有明顯區(qū)別。壓水堆安全殼內(nèi)空氣通常是室溫大氣壓，設(shè)計(jì)壓力相對(duì)較小。而高溫氣冷堆一 回路內(nèi)氦氣工作壓力達(dá)到幾個(gè)兆帕，并且高溫氣冷堆電氣貫穿件的工作溫度也遠(yuǎn)比壓水堆 高。目前應(yīng)用于壓水堆上的電氣貫穿件均采用有機(jī)物作為密封材料，這種有機(jī)物密封材料 不能滿足高溫氣冷堆的使用要求。
[0005] 2011年3月日本福島發(fā)生核泄漏事故后，日本東京電力公司對(duì)福島核泄露事件的 分析證實(shí)，過(guò)高溫度和壓力摧毀了福島核電站中用有機(jī)物密封的電氣貫穿件，東京電力公 司懷疑由此引起爆炸性氫氣的泄露。因此，為了滿足高溫氣冷堆電氣貫穿件的更高耐溫和 耐壓能力的要求，需要開(kāi)發(fā)采用無(wú)機(jī)材料作為密封材料的電氣貫穿件。
[0006] 陶瓷具有很好的絕緣性和耐高溫性能，是作為電氣貫穿件密封材料的絕佳選擇。 陶瓷與金屬筒體和金屬導(dǎo)體之間通過(guò)高溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)固定，并且使用金屬法蘭與陶瓷組件進(jìn) 行整體式接頭焊接，就可以達(dá)到很好的絕緣和密封效果。中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種金屬陶 瓷燒結(jié)的高溫高壓電氣貫穿件（申請(qǐng)?zhí)朇N201310282770.5)，但是對(duì)于高溫氣冷堆低壓控制 型電氣貫穿件不適用。本發(fā)明主要針對(duì)高溫氣冷堆中低電壓弱信號(hào)的低壓控制型電氣貫穿 件。
[0007] 作為傳輸控制信號(hào)的低壓貫穿件，絕緣性能要求苛刻。常用的貫穿件僅通過(guò)一層 有機(jī)絕緣材料將導(dǎo)針和基體隔開(kāi)，在空氣濕度大、絕緣材料蒙塵等情況下，會(huì)造成絕緣材料 表面形成漏導(dǎo)電流、甚至出現(xiàn)爬電現(xiàn)象。這些都會(huì)對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)外的控制傳輸信號(hào)造成干擾， 容易導(dǎo)致安全隱患。本發(fā)明采用獨(dú)特的雙層陶瓷絕緣材料、三電極設(shè)計(jì)，可以減少漏導(dǎo)電 流，保證通訊信號(hào)不受干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件及其制備方法，具 體技術(shù)方案如下：
[0009] -種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件，由不銹鋼金屬法蘭盤1、可伐套管2、外瓷 管3、下可伐帽4、內(nèi)瓷管5、上可伐帽6和可伐導(dǎo)針7組成；由內(nèi)到外依次為可伐導(dǎo)針7、內(nèi)瓷管 5、 外瓷管3、可伐套管2、不銹鋼金屬法蘭盤1;上可伐帽6為上部與可伐導(dǎo)針7相連接、下部與 內(nèi)瓷管5相連接;下可伐帽4為上部與內(nèi)瓷管5相連接，下部與外瓷管3相連接;不銹鋼金屬法 蘭盤1、下可伐帽4、可伐導(dǎo)針7是三個(gè)電極，其中，下可伐帽4在使用過(guò)程中接地。
[0010] 所述外瓷管3、內(nèi)瓷管5由95 %氧化鋁制成，所述可伐套管2、下可伐帽4、上可伐帽 6、 可伐導(dǎo)針7由4J33可伐合金制成。
[0011]如上所述的高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件的制備方法，首先將外瓷管3、內(nèi)瓷 管5在封接部位進(jìn)行鉬錳金屬化，再將金屬化后的外瓷管3、內(nèi)瓷管5與下可伐帽4、上可伐帽 6、可伐套管2、可伐導(dǎo)針7、不銹鋼金屬法蘭盤1進(jìn)行組裝;將組裝好的組件放置于石墨夾具 中，在一定溫度和真空條件下進(jìn)行真空釬焊，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。
[0012] 包括以下具體步驟：
[0013] (1)將不銹鋼金屬法蘭盤1、可伐套管2、外瓷管3、下可伐帽4、內(nèi)瓷管5、上可伐帽6 和可伐導(dǎo)針7置于清洗液中，70~80°C的溫度下超聲波清洗10~15分鐘;再用去離子水清洗 3~5次，然后用無(wú)水乙醇清洗，最后放入烘箱中烘干；
[0014] (2)將金屬鉬粉、錳粉和有機(jī)活化劑混合制成的鉬錳膏涂于外瓷管3、內(nèi)瓷管5這兩 個(gè)部件上將要與下可伐帽4、上可伐帽6、可伐導(dǎo)針7、可伐套管2這四個(gè)部件進(jìn)行連接的部 位;將涂覆后的外瓷管3、內(nèi)瓷管5置于氫氣爐中，以每分鐘10°C的升溫速率升溫至1400~ 1600°C，并保溫20~30分鐘進(jìn)行金屬化;最后將不銹鋼金屬法蘭盤1、可伐套管2、下可伐帽 4、上可伐帽6、可伐導(dǎo)針7、金屬化后的外瓷管3、金屬化后的內(nèi)瓷管5均電鍍上厚度為0.5~ 2.5微米的鎳層；
[0015] (3)將已清潔的銀銅焊絲置于外瓷管3、內(nèi)瓷管5、不銹鋼金屬法蘭盤1這三個(gè)部件 上將要與下可伐帽4、上可伐帽6、可伐導(dǎo)針7、可伐套管2這四個(gè)部件進(jìn)行連接的部位，并將 這七個(gè)部件按照順序組裝好，經(jīng)固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進(jìn)行釬焊，制得高溫 氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟(2)所述的鉬錳膏中，鉬粉與有機(jī)活化劑的質(zhì)量比為（1.5~2.6): 1，錳粉與有機(jī)活化劑的質(zhì)量比為(〇. 1~〇. 5): 1。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟⑶中，釬焊溫度為770~830°C，真空度為10-4Pa，釬焊時(shí)間為2~6 分鐘。
[0018] 本發(fā)明具有以下有益效果:采用外瓷管、內(nèi)瓷管這種兩層絕緣陶瓷管以及三電極 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高了絕緣電阻、降低了漏導(dǎo)電流，有利于弱信號(hào)的精確采集;另外，相比 環(huán)氧樹(shù)脂有機(jī)物灌封的貫穿件，采用這種結(jié)構(gòu)的低壓控制型電氣貫穿件絕緣電阻提高了 200%以上，耐氣壓性提高了 100%，耐高溫性、耐輻照等特性也都得到了明顯改善。
[0019] 本發(fā)明方法所制備的電氣貫穿件，其耐高溫、耐氣壓特性得到了明顯改善，從而彌 補(bǔ)了目前采用有機(jī)物密封材料制備電氣貫穿件所存在的壽命短、絕緣性能差的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明所述的高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]各編號(hào)的具體含義為：1-不銹鋼金屬法蘭盤，2-可伐套管，3-外瓷管，4-下可伐帽， 5-內(nèi)瓷管，6-上可伐帽，7-可伐導(dǎo)針。
[0022] 圖2是內(nèi)瓷管與可伐合金之間的封接斷面掃描電鏡圖以及元素?cái)U(kuò)散情況。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明中一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件及其制備方法，可以通過(guò)下列非 限定性實(shí)施例得到更加清楚的描述。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] (1)將不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、外瓷管、下可伐帽、內(nèi)瓷管、上可伐帽和可伐 導(dǎo)針置于清洗液中，在70~80°C的溫度下超聲波清洗10分鐘;再用去離子水清洗3~5次，然 后用無(wú)水乙醇清洗，最后放入烘箱中烘干；
[0026] (2)將金屬鉬粉、錳粉和有機(jī)活化劑按照一定的質(zhì)量比（鉬粉:有機(jī)活化劑= 2.0: 1;錳粉:活化劑= 0.4:1)配制成膏狀，涂于外瓷管、內(nèi)瓷管這兩個(gè)組件上將要與下可伐帽、 上可伐帽、可伐導(dǎo)針、可伐套管這四個(gè)部件進(jìn)行連接的部位;將涂覆后的外瓷管、內(nèi)瓷管置 于氫氣爐中，以每分鐘l〇°C的速率升溫至500°C，保溫5分鐘，再以每分鐘10°C的速率升溫至 1550Γ，并保溫20分鐘進(jìn)行金屬化;最后將不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、下可伐帽、上可伐 帽、可伐導(dǎo)針、金屬化后的外瓷管、金屬化后的內(nèi)瓷管均電鍍上厚度為0.5~2.5微米的鎳 層；
[0027] (3)將已清潔的銀銅焊絲置于外瓷管、內(nèi)瓷管、不銹鋼金屬法蘭盤這三個(gè)部件上將 要與下可伐帽、上可伐帽、可伐導(dǎo)針、可伐套管這四個(gè)部件進(jìn)行連接的部位，并將這七個(gè)部 件按照順序組裝好，經(jīng)固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進(jìn)行釬焊，溫度為790°C，真空 度為l(T4Pa，釬焊時(shí)間為4分鐘，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。所制備的高溫氣冷 堆低壓控制型電氣貫穿件的測(cè)試結(jié)果如表1所示。
[0028]表1 790°C釬焊溫度下制備的樣件性能測(cè)試結(jié)果
[0030] 圖2是內(nèi)瓷管與可伐合金之間的封接斷面掃描電鏡圖以及元素?cái)U(kuò)散情況，由圖可 知，封接后陶瓷表面金屬化層與焊料形成均勻良好結(jié)合。
[0031] 實(shí)施例2
[0032] (1)將不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、外瓷管、下可伐帽、內(nèi)瓷管、上可伐帽和可伐 導(dǎo)針置于清洗液中，70~80°C的溫度下超聲波清洗10分鐘;再用去離子水清洗3~5次，然后 用無(wú)水乙醇清洗，最后放入烘箱中烘干；
[0033] (2)將金屬鉬粉、錳粉和有機(jī)活化劑按照一定的質(zhì)量比（鉬粉:有機(jī)活化劑= 2.0: 1;錳粉:活化劑= 0.4:1)配制成膏狀，涂于外瓷管、內(nèi)瓷管這兩個(gè)組件上將要與下可伐帽、 上可伐帽、可伐導(dǎo)針、可伐套管這四個(gè)部件進(jìn)行連接的部位;將涂覆后的外瓷管、內(nèi)瓷管置 于氫氣爐中，以每分鐘l〇°C的速率升溫至500°C，保溫5分鐘，再以每分鐘10°C的速率升溫至 1400°C，并保溫20分鐘進(jìn)行金屬化；最后不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、下可伐帽、上可伐 帽、可伐導(dǎo)針、金屬化后的外瓷管、金屬化后的內(nèi)瓷管均電鍍上厚度為0.5~2.5微米的鎳 層；
[0034] (3)將已清潔的銀銅焊絲置于外瓷管、內(nèi)瓷管、不銹鋼金屬法蘭盤這三個(gè)部件上將 要與下可伐帽、上可伐帽、可伐導(dǎo)針、可伐套管這四個(gè)部件進(jìn)行連接的部位，并將這七個(gè)部 件按照順序組裝好，經(jīng)固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進(jìn)行釬焊，溫度為820°C，真空 度為l(T 4Pa，釬焊時(shí)間為4分鐘，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。所制備的高溫氣冷 堆低壓控制型電氣貫穿件的測(cè)試結(jié)果如表2所示。
[0035] 表2 820°C釬焊溫度下制備的樣件性能測(cè)試結(jié)果
[0037]表3市購(gòu)環(huán)氧樹(shù)脂灌封樣件性能測(cè)試結(jié)果
[0039]表3為市購(gòu)環(huán)氧樹(shù)脂灌封樣件的性能測(cè)試結(jié)果。將表1、表2的結(jié)果與表3對(duì)比，可以 看出，本發(fā)明的低壓控制型電氣貫穿件絕緣電阻提高了 100%~200%，耐氣壓性提高了約 100%〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件，其特征在于，由不銹鋼金屬法蘭盤（1)、可 伐套管(2)、外瓷管(3)、下可伐帽(4)、內(nèi)瓷管(5)、上可伐帽(6)和可伐導(dǎo)針(7)組成；由內(nèi)到 外依次為可伐導(dǎo)針(7)、內(nèi)瓷管(5)、外瓷管(3)、可伐套管(2)、不銹鋼金屬法蘭盤（1);上可 伐帽(6)的上部與可伐導(dǎo)針(7)相連接，下部與內(nèi)瓷管(5)相連接;下可伐帽（4)的上部與內(nèi) 瓷管（5)相連接，下部與外瓷管（3)相連接;不銹鋼金屬法蘭盤（1)、下可伐帽（4)、可伐導(dǎo)針 (7)是三個(gè)電極，其中，下可伐帽(4)在使用過(guò)程中接地。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件，其特征在于，所述外瓷管 (3)、內(nèi)瓷管(5)由95%氧化鋁制成，所述可伐套管(2)、下可伐帽（4)、上可伐帽（6)、可伐導(dǎo) 針(7)由4J33可伐合金制成。3. 權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件的制備方法，其特征 在于，首先將外瓷管（3)、內(nèi)瓷管（5)在封接部位進(jìn)行鉬錳金屬化，再將金屬化后的外瓷管 (3)、內(nèi)瓷管(5)與下可伐帽（4)、上可伐帽（6)、可伐套管(2)、可伐導(dǎo)針(7)、不銹鋼金屬法蘭 盤（1)進(jìn)行組裝;將組裝好的組件放置于石墨夾具中，在一定溫度和真空條件下進(jìn)行真空釬 焊，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，包括以下具體步驟： (1) 將不銹鋼金屬法蘭盤（1)、可伐套管(2)、外瓷管(3)、下可伐帽（4)、內(nèi)瓷管（5)、上可 伐帽(6)和可伐導(dǎo)針(7)置于清洗液中，70~80°C的溫度下超聲波清洗10~15分鐘;再用去 離子水清洗3~5次，然后用無(wú)水乙醇清洗，最后放入烘箱中烘干； (2) 將金屬鉬粉、錳粉和有機(jī)活化劑混合制成的鉬錳膏涂于外瓷管(3)、內(nèi)瓷管(5)這兩 個(gè)部件上將要與下可伐帽(4)、上可伐帽(6)、可伐導(dǎo)針(7)、可伐套管(2)這四個(gè)部件進(jìn)行封 接的部位;將涂覆后的外瓷管(3)、內(nèi)瓷管(5)置于氫氣爐中，以每分鐘10°C的升溫速率升溫 至1400~1600°C，并保溫20~30分鐘進(jìn)行金屬化;最后將可伐套管（2)、下可伐帽（4)、上可 伐帽(6)、可伐導(dǎo)針(7)、金屬化后的外瓷管(3)、金屬化后的內(nèi)瓷管(5)均電鍍上厚度為0.5 ~2.5微米的鎳層； (3) 將已清潔的銀銅焊絲置于外瓷管（3)、內(nèi)瓷管（5)、不銹鋼金屬法蘭盤（1)這三個(gè)部 件上將要與下可伐帽(4)、上可伐帽(6)、可伐導(dǎo)針(7)、可伐套管(2)這四個(gè)部件進(jìn)行連接的 部位，并將這七個(gè)部件按照順序組裝好，經(jīng)固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進(jìn)行釬 焊，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的鉬錳膏中，鉬粉與有機(jī) 活化劑的質(zhì)量比為(1.5~2.6): 1，錳粉與有機(jī)活化劑的質(zhì)量比為(0.1~0.5): 1。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，釬焊溫度為770~830°C， 真空度為l(T4Pa，釬焊時(shí)間為2~6分鐘。
【文檔編號(hào)】G21C21/00GK105869684SQ201610192739
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張勇, 宋曉貞, 趙玉娜, 仝守強(qiáng), 楊冬亮, 陳永洲, 沈子欽
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)