[发明专利]一种耐事故燃料核包壳管及制备方法

说明书

本发明涉及一种耐事故燃料核包壳管及制备方法，耐事故燃料核包壳管由连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料和难熔金属层根据设计需要交替叠合组成三明治多层结构。该多层结构是以连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料为内管层，以难熔金属层为中间管层，以及连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料为外管层。在该多层结构中，连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料层主要起到支撑承载作用，难熔金属层主要起到密封防渗漏作用。本发明的耐事故燃料核包壳管可以实现在应力超出陶瓷基复合材料弹性变形范围，裂纹已在复合材料中扩展时，保持核包壳管的气密性。

技术领域

本发明涉及一种耐事故燃料核包壳管及制备方法，具体涉及一种多层SiC_f/SiC陶瓷基复合材料与难熔金属相复合的核包壳管的制备方法，这种核包壳管主要用于第四代气冷快中子核反应堆中核燃料棒的成型和防护。该方法制备的耐事故燃料核包壳管也可以用于其他核反应堆，比如压水反应堆、沸水反应堆、钠冷快中子反应堆。

背景技术

陶瓷基复合材料因其低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗疲劳蠕变，以及对裂纹不敏感，不发生灾难性损毁等方面的优异性能而备受关注。另外陶瓷基复合材料在中子辐照和高温环境下仍然具有很好的机械性能、抗热冲击性能，尤其在失去冷却剂后，其仍能保证包壳管结构的完整性，提高了耐事故能力。这使陶瓷基复合材料在核防护领域也有着极大的应用前景，现已成为核燃料元件和核反应堆控制棒包覆的理想候选材料。

然而，核用陶瓷基复合材料面临着气密性差的关键瓶颈问题。因此，这些材料不适合作为压力容器或压力管道使用，更不能作为核燃料包壳或换热管。核燃料包覆材料是阻挡辐射产物扩散的第一道屏障，单纯的陶瓷基复合材料并不适合作为核燃料包壳材料。

陶瓷基复合材料作为核包壳管气密性差的问题是重点。目前，陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC复合材料)的断裂强度大约为300MPa，但是其弹性变形阶段很短，弹性变形强度大约80MPa，弹性应变大约0.09％。当应力大于弹性强度时，陶瓷基复合材料进入基体微裂纹扩展断裂阶段，造成大量裂纹孔隙产生。这种断裂方式可以使陶瓷基复合材料承担更多的应力，但是在实际应用中核包壳材料所需的变形量大约在0.2％到0.5％，强度大约为100MPa，在极端条件下设计强度需达到200MPa。显然，陶瓷基复合材料并不能满足核包壳构件气密性安全要求。

目前，国内外关于提高陶瓷基复合材料的气密性做了一些工作。HolgerH.Streckert(Holger H.Streckert et al.,“Hermetic ceramic compositestructures”,US005681511A)在陶瓷基复合材料表面化学气相沉积一层SiC致密涂层，能在1000℃温度下成功阻止氦气等气体的渗漏。Feinroth(Feinroth et al.,“Multi-layeredceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclearand fossil power plants”,US 2006/0039524 A1)在两层陶瓷基复合材料之间制备SiC涂层形成一种三明治结构，有效提高了核包壳管的气密性。但是上述材料只适用于在其弹性变形范围内使用，一旦受力大于其弹性强度，裂纹便会在基体中扩展，材料的气密性变差，而从上文可知陶瓷基复合材料的弹性强度一般较小。另一方面，在核包壳管上制备均匀致密的SiC涂层是很困难的。

难熔金属不仅可以在高温下保持强度，而且具有良好的塑性，但难熔金属不易与核燃料直接接触，以免被侵蚀。所以本发明结合现有的工作，发明一种两层陶瓷基复合材料中间夹着一层难熔金属的三明治多层陶瓷基复合材料核燃料包壳管结构，陶瓷基复合材料在外保持机械强度并保护难熔金属免受侵蚀，难熔金属层在内保持构件的气密性。相较于先前的发明，本发明可以实现在应力超出陶瓷基复合材料弹性变形范围，裂纹已在复合材料中扩展时，仍能保持构件的气密性。