[发明专利]用于陶瓷涂层包壳的双重密封的燃料棒端塞

说明书

背景技术

1.技术领域

本发明涉及在由含有陶瓷的材料构成的核水反应堆中的燃料棒包壳，并且更具体地涉及提供在燃料棒包壳的一端或两端上的双重密封。

2.相关技术说明

在典型的核水反应堆例如压水反应堆(PWR)、重水反应堆(例如CANDU)或沸水反应堆(BWR)中，反应堆堆芯包括大量的燃料组件，其每一个均由多个细长的燃料元件或燃料棒组成。燃料组件在尺寸和设计方面变化，取决于堆芯的所需尺寸和反应堆的尺寸。燃料棒各含有核燃料裂变材料，例如二氧化铀(UO₂)、二氧化钚(PuO₂)、二氧化钍(ThO₂)、氮化铀(UN)以及硅化铀(U₃Si₂)或它们的混合物中的至少一种。至少一部分燃料棒还可以包括中子吸收材料，例如硼或硼化合物、钆或钆化合物、铒或铒化合物等或者它们的混合物。中子吸收材料可以存在于核燃料芯块堆垛体形式的芯块之上或之中。也可以使用燃料的环形或颗粒形式。

每个燃料棒具有充当容器以容纳裂变材料的包壳。燃料棒以阵列形式聚集，对其进行组织从而在堆芯中提供中子通量以支持核裂变的高速率，因而支持大量的能量以热的形式释放。通过反应堆堆芯泵送冷却剂如水从而提取在反应堆堆芯中产生的热用于产生有用的功如电力。

在燃料棒上的包壳可以由锆(Zr)构成，并且可以包括多达约百分之二重量的其它金属，例如铌(Nb)、锡(Sn)、铁(Fe)和铬(Cr)。现有技术中的最近发展已经提供了由含有陶瓷材料例如碳化硅(SiC)构成的燃料棒包壳。每个燃料棒的包壳具有定位在每端的塞子或盖。此外，在燃料棒中提供压紧(hold down)装置如金属弹簧从而保持核燃料芯块的堆垛体结构。

图1示出了现有技术的设计，它示出了燃料芯块10的堆垛体、锆基包壳12、弹簧压紧装置14和端塞16。端塞之一，即位于最靠近压紧装置14的端塞，通常称为顶端塞。

有必要密封包壳的端塞从而将包含在其中的燃料与反应堆堆芯环境隔离。存在已知的密封技术，其采用各种材料，例如Ti基或Al-Si基的组合物以及钎焊和其它常规方法以密封SiC包壳和端塞。这些材料表现出高的机械强度，以及提供气密性的能力。然而，存在与这些已知的密封材料相关的缺点，例如未能表现出对暴露于核反应堆环境的部件所必要的耐腐蚀性水平。此外，一些已知的密封技术，例如放电等离子烧结，对于大规模生产在经济上不是可行的。

因而，希望在本领域中开发用于燃料棒包壳的密封技术，特别是含SiC的包壳，其表现出以下特征和性能中的一个或多个：

-确保正常运行期间和之后的机械强度、预期的运行事件、偶发事故、和限制性故障；

-确保在辐射和核反应堆的特定腐蚀环境下端塞到包壳接头的密闭性；

-允许接合工艺适应满载包壳(具有燃料芯块和压紧装置)；

-允许用氦或其它导热回填气体以典型至多300psi的压力对燃料棒加压；以及

-允许接合工艺适应大规模生产用于商业应用。

本发明的一个目的是提供一种生产高强度、密闭性密封的商业上有用和可行的端塞密封体的方法，耐受在使用用于容纳燃料芯块的陶瓷复合体包壳的核环境中的辐射。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种密封用于核水反应堆堆芯中的核燃料棒的含有陶瓷的包壳的方法。该方法包括提供包括管状壁、由所述管状壁形成的空腔、第一开放端、第二开放端、和内径的包壳。该方法进一步包括提供第一端塞和第二端塞，其中第一和第二端塞各自包括顶表面、底表面、外表面、在其间延伸的长度和小于包壳的内径的外径；插入和密封第一端塞到包壳的第一开放端；将核燃料和压紧装置装入空腔；将钎焊材料沉积到第二端塞外表面的至少一部分上从而在其上形成第一涂层；将在其上具有第一涂层的第二端塞插入到包壳的第二开放端，其中将第二端塞的底表面定位在空腔的一部分内，且顶表面形成包壳的封闭第二端；将在其上具有第一涂层的第二端塞加热到等于或高于钎焊材料的熔融温度以至少熔化钎焊材料；冷却在其上具有第一涂层的第二端塞从而在第二端塞和包壳之间形成第一密封体；和在第二端塞的顶表面上和包壳的至少一部分上沉积包含SiC的第二涂层，从而在包壳上形成第二密封体。

在某些实施方案中，该方法进一步包括在第二端塞中形成开口，以允许气体进入空腔中。开口可填充有钎焊材料。

此外，可以使用上述用于在包壳的第二开放端中密封第二端塞的方法将第一端塞密封在包壳的第一开放端中。