CN105405474A - 具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法，包括二层或三层的SiC基核燃料包壳管，其特征在于：将SiC基核燃料包壳管的内层作为次内层结构，在次内层的内部引入一层抗裂纹扩展层作为内层结构，形成三层或四层的SiC基核燃料包壳管；所述引入的内层结构材料模量要低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料。本发明的三层或四层的SiC基核燃料包壳管，可以达到防止核燃料包壳管内壁的SiC陶瓷层中出现裂纹的效果。

Description

具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法

技术领域

本发明属于核燃料包壳管设计，具体涉及一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法。

背景技术

核能作为一种清洁能源得到广泛的应用。然而福岛事故之后，人们对核电站的安全性越来越重视。早期的核反应堆装置中，大多采用锆或锆合金作为包壳管材料。但是在事故情况下，核反应堆温度内急剧升高，锆或锆合金发生相变，引起体积变化，最终导致包壳管壁破裂，而且在高温下其对水的抗腐蚀性较差。因此，提高核燃料包壳管应对事故的能力显得尤为重要。SiC陶瓷及其复合材料具有优异的高温力学稳定性、耐腐蚀性和抗辐照性等优点，现已成为核燃料包壳管的理想候选材料。

目前关于SiC陶瓷及其复合材料用于核燃料包壳管，如在专利US20090032178A1中公开了一种三层结构的SiC基包壳管，其中外层和内层均为单相SiC陶瓷层，中间层为连续SiC纤维增韧SiC复合材料。在专利US2006/003924Al中公开了一种多层陶瓷管结构设计，具体介绍了各层组分及制造流程，其内层和外层均为单相SiC陶瓷。在文献“HallstadiusL,JohnsonS,LahodaE.Claddingforhighperformancefuel[J].ProgressinNuclearEnergy,2012,57:71-76.”中讲述了美国西屋公司制备的一种双层结构的SiC基包壳管，其中内层为单相SiC陶瓷层，外层为SiC/SiC复合材料层。

虽然这些SiC基包壳管的结构有很大的差异，但是它们有一个共同的特点，就是内层都为致密的单相SiC陶瓷层，其作用是防止氢气和裂变气体的泄露。然而SiC陶瓷材料具有很高的模量，在工作情况下，由于核燃料块热胀冷缩引起的体积变化，以及外界的震动(例如地震、海啸等)引起核燃料块对包壳管内壁的物理撞击，会在包壳管内壁的SiC陶瓷层上产生裂纹。从而使其丧失原有的功能，进一步可能会引起严重的核燃料泄露事故以及发生氢气***。这一问题在美国橡树岭国家重点实验关于SiC基多层包壳管的试验的报告中也得到了证实，他们发现服役之后的包壳管内壁的SiC陶瓷层中产生了大量裂纹。因此防止核燃料包壳管内壁的SiC陶瓷层中出现裂纹就显得尤为重要。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法，在二层或三层的SiC基核燃料包壳管内引入一层抗裂纹扩展层，可以得到一种具有抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管。

技术方案

一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，包括二层或三层的SiC基核燃料包壳管，其特征在于：将SiC基核燃料包壳管的内层作为次内层结构，在次内层的内部引入一层抗裂纹扩展层作为内层结构，形成三层或四层的SiC基核燃料包壳管；所述引入的内层结构材料模量要低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料。

所述引入一层抗裂纹扩展层作为内层结构的厚度为50～200μm。

所述低模量的抗辐照材料为耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料、金属或无机非金属材料。

所述纤维增强陶瓷基复合材料中的纤维选择碳纤维或碳化硅纤维。

所述纤维增强陶瓷基复合材料中的陶瓷基体选择碳、碳化硅、碳化锆或MAX相基体。

所述金属材料包括锆、ODS钢、钽、钼、铌或FeCrAl。

所述无机非金属材料包括MAX相陶瓷或ZrC陶瓷。

一种制备所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：选择低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料作为内层管体，内层管体的厚度为50～200μm；

步骤2：采用CVD工艺在内层管体表面沉积一层致密SiC陶瓷层；

步骤3：在致密SiC陶瓷层外编织一层SiC纤维预制体，在SiC纤维预制体上沉积一层热解碳作为复合材料界面层，采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将SiC纤维预制体制成SiC_f/SiC复合材料；

当核燃料包壳管为四层结构时，采用CVD工艺在次外层表面沉积一层致密SiC陶瓷层。

有益效果

本发明提出的一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法，由于(1)裂纹在材料中的产生和扩展与材料断裂韧性是相关的，材料的断裂韧性越大裂纹在材料中的扩展越困难。而材料的断裂韧性是与材料的弹性模量成正比关系的。弹性模量表征的是材料产生弹性变形难易程度的一个指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。因此，可以认为裂纹在具有较大弹性模量的材料中较难扩展，即裂纹在弹性模量较大的材料中扩展所遇到的阻力较大；(2)当裂纹从弹性模量较低的材料中向弹性模量较大大的材料中扩散时所遇到的阻力也是很大的，此时裂纹会停止扩展或者沿垂直于弹性模量增大的方向扩展。所以，将SiC基核燃料包壳管的内层作为次内层结构，在次内层的内部引入一层材料模量要低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料作为抗裂纹扩展层的内层结构，形成三层或四层的SiC基核燃料包壳管，可以达到防止核燃料包壳管内壁的SiC陶瓷层中出现裂纹的效果。

附图说明

图1：本发明所设计的具有抗裂纹扩展能力的三层包壳管的结构示意图；

图2：本发明所设计的具有抗裂纹扩展能力的四层包壳管的结构示意图；

图3：本发明所设计的以C_f/SiC复合材料为抗裂纹扩展层的包壳管的实物图；

图4：本发明所设计的以C_f/SiC复合材料为抗裂纹扩展层的包壳管的截面扫描电镜图；

1-低模量层抗裂纹扩展层，2-SiC陶瓷层，3-SiC/SiC复合材料层，4-外层。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的抗裂纹扩展核燃料包壳管的结构，采用三层或四层结构，其设计方案如下：

(1)内层：选择模量低于次内层致密的SiC陶瓷材料的低模量的抗辐照材料；

(2)次内层：根据使用要求选择致密的SiC陶瓷材料；

(3)次外层：选择SiC_f/SiC复合材料；

(4)外层：根据冷却剂是否会对SiC_f/SiC复合材料层具有腐蚀作用，可选择添加或者不添加该层，如果添加，可选择致密的陶瓷材料，如SiC陶瓷、ZrC陶瓷等。

实施例1：选择C_f/SiC复合材料作为抗裂纹扩展层的四层SiC基包壳管。SiC陶瓷的弹性模量为400～440GPa，而C_f/SiC复合材料的模量只有75～85GPa。因此裂纹很难通过C_f/SiC复合材料层向SiC陶瓷层发生径向扩展，而且C_f/SiC复合材料相对于陶瓷具有更好的韧性，能够阻止裂纹的产生与扩展，从而更好地保护了次内层SiC陶瓷层。

具体实施方法：

1.内层的制备：

1)采用编织工艺，将碳纤维制成圆管状的纤维预制体，尺寸为Ф0.9cm×100cm；

2)然后在碳纤维预制体上沉积一层热解碳作为复合材料界面层；

3)采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将碳纤维预制体制成C_f/SiC复合材料，厚度控制在50～200μm；

2.次内层的制备：采用CVD工艺在内层表面沉积一层厚度为100～300μm的致密SiC陶瓷层；

3.次外层的制备：

1)采用编织工艺，在次内层外编织一层SiC纤维预制体；

2)然后在SiC纤维上沉积一层热解碳作为复合材料界面层；

3)采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将SiC纤维预制体制成SiC_f/SiC复合材料，厚度控制在100～400μm；

4.外层的制备：采用CVD工艺在次外层表面沉积一层厚度为100～300μm的致密SiC陶瓷层。

实施例2：选择SiC_f/SiC复合材料作为抗裂纹扩展层的四层SiC基包壳管。SiC陶瓷的弹性模量为400～440GPa，而SiC_f/SiC复合材料的模量为150～200GPa。因此裂纹很难通过SiC_f/SiC复合材料层向SiC陶瓷层发生径向扩展，而且SiC_f/SiC复合材料相对于陶瓷具有更好的韧性，能够阻止裂纹的产生与扩展，从而更好地保护了次内层SiC陶瓷层。

具体实施方法：

1.内层的制备：

1)采用编织工艺，将碳化硅纤维制成圆管状的纤维预制体，尺寸为Ф0.9cm×100cm；

2)然后在碳化硅纤维预制体上沉积一层热解碳作为复合材料界面层；

3)采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将碳化硅纤维预制体制成SiC_f/SiC复合材料，厚度控制在50～200μm；

2.次内层的制备：采用CVD工艺在内层表面沉积一层厚度为100～300μm的致密SiC陶瓷层；

3.次外层的制备：

1)采用编织工艺，在次内层外编织一层SiC纤维预制体；

2)然后在SiC纤维上沉积一层热解碳作为复合材料界面层；

3)采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将SiC纤维预制体制成SiC_f/SiC复合材料，厚度控制在100～400μm；

4.外层的制备：采用CVD工艺在内层表面沉积一层厚度为100～300μm的致密SiC陶瓷层。

实施例3：选择金属锆作为抗裂纹扩展层的四层SiC基包壳管。SiC陶瓷的弹性模量为400～440GPa，而金属锆的弹性模量为88～100GPa。因此裂纹很难通过金属锆层向SiC陶瓷层发生径向扩展，而且金属锆相对于陶瓷具有更好的韧性，能够阻止裂纹的产生与扩展，从而更好地保护了次内层SiC陶瓷层。

具体实施方法：

1.内层的制备：采用CVD工艺制备金属锆管，尺寸为Ф0.9cm×100cm，厚度为100～500μm；

2.次内层的制备：

1)将锆管表面清洗干净并烘干；

2)然后在其外表面刷上一层SiC前驱体，在Ar气氛围下，900℃裂解1小时，形成一层SiC陶瓷层；

3)采用CVD工艺在外表面致密的SiC陶瓷层，厚度控制在100～200μm；

3.次外层的制备：

1)采用编织工艺，在次内层外编织一层SiC纤维预制体；

2)然后在SiC纤维上沉积一层热解碳作为复合材料界面层；

3)采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将SiC纤维预制体制成SiC_f/SiC复合材料，厚度控制在100～400μm；

4.外层的制备：采用CVD工艺在内层表面沉积一层厚度为100～300μm的致密SiC陶瓷层。

Claims (8)

1.一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，包括二层或三层的SiC基核燃料包壳管，其特征在于：将SiC基核燃料包壳管的内层作为次内层结构，在次内层的内部引入一层抗裂纹扩展层作为内层结构，形成三层或四层的SiC基核燃料包壳管；所述引入的内层结构材料模量要低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料。

2.根据权利要求1所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，其特征在于：所述引入一层抗裂纹扩展层作为内层结构的厚度为50～200μm。

3.根据权利要求1所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，其特征在于：所述低模量的抗辐照材料为耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料、金属或无机非金属材料。

4.根据权利要求2所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，其特征在于：所述纤维增强陶瓷基复合材料中的纤维选择碳纤维或碳化硅纤维。

5.根据权利要求2所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，其特征在于：所述纤维增强陶瓷基复合材料中的陶瓷基体选择碳、碳化硅、碳化锆或MAX相基体。

6.根据权利要求2所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，其特征在于：所述金属材料包括锆、ODS钢、钽、钼、铌或FeCrAl。

7.根据权利要求2所述具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构，其特征在于：所述无机非金属材料包括MAX相陶瓷或ZrC陶瓷。

8.一种制备权利要求1～6所述任一项具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：选择低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料作为内层管体，内层管体的厚度为50～200μm；

步骤2：采用CVD工艺在内层管体表面沉积一层致密SiC陶瓷层；

步骤3：在致密SiC陶瓷层外编织一层SiC纤维预制体，在SiC纤维预制体上沉积一层热解碳作为复合材料界面层，采用PIP、CVI、RMI或其它致密化工艺，将SiC纤维预制体制成SiC_f/SiC复合材料；

当核燃料包壳管为四层结构时，采用CVD工艺在次外层表面沉积一层致密SiC陶瓷层。