SiC/SiC復合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于核能的核燃料包殼管封裝技術，具體涉及一種SiC/SiC復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】
[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。事故發生后，相關人員究其原因，發現是核燃料的包殼管----Zr管，與反應堆中的水在一定條件下發生反應，短時間內放出大量的氫氣聚集，發生爆炸，引起核輻射泄露。事故現場核輻射放射劑量較大，對周邊環境影響嚴重。之后，麻省理工大學(MIT)相關人員就SiC/SiC復合材料能否作為核燃料包殼管，能否切實保障核安全作了大量基礎研究，研究表明SiC/SiC復合材料具有高強度、耐輻射、耐高溫、耐腐蝕且對核燃料無污染等性能，使得SiC/SiC復合材料成為下一代壓水反應堆最具競爭力的、安全性高的包殼管材料。
[0003]核包殼管有其特殊性:其一，包殼管是薄壁細長管，外徑10cm，壁厚1mm，管長4m;其二，當發生核事故時，要能承受1200°C以上25MPa的內脹力；其三，氣密性要好，防止殼內輻照產生的氣體泄漏。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用的一個關鍵技術問題。
【發明內容】
[0004]要解決的技術問題
[0005]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種SiC/SiC復合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法，涉及到Y203-Al203-Si02玻璃陶瓷的封裝技術，以及包殼管端口的封裝結構設計，推進SiC/SiC核包殼管應用到核反應堆上，將核輻射泄露事故防患于未然，提高核反應堆運行的安全性。
[0006]技術方案
[0007]—種SiC/SiC復合材料塞頭，其特征在于:塞頭為T型圓柱形結構，T型結構堵頭的下端設有置放封裝劑的儲料區凹槽。
[0008]在凹槽與堵頭之間設有鉚釘孔。
[0009]T型結構堵頭的下端設有連接螺紋。
[0010]—種利用SiC/SiC復合材料塞頭實現SiC/SiC復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復合材料塞頭、SiC/SiC復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包殼管內壁，并使得SiC/SiC塞頭的儲料區凹槽內充滿封裝劑，然后將塞頭裝入SiC/SiC復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，完成預封裝；
[0013]步驟3:將預封裝件放入真空爐，在真空環境中，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SiC/SiC復合材料塞頭采用權利要求2所述結構時，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復合材料包殼管待封裝端口后將鉚釘鉚入鉚釘孔中。
[0015]當SiC/SiC復合材料塞頭采用權利要求3所述結構時，需要在SiC/SiC復合材料核包殼管端口的內壁設有內螺紋結構，在步驟2將塞頭通過螺紋旋入SiC/SiC復合材料包殼管端口。
[0016]所述烘箱溫度為150?200°C，烘干時間為2_4h。
[0017]—種用于所述SiC/SiC復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:將質量配比為10 %?20 %的Y2O3、20 %?40 %的ΑΙ2Ο3、40 %?70 %的Si02進行混合球磨；
[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]本發明提出的一種SiC/SiC復合材料核包殼管端口封裝的塞頭及封裝方法，在SiC/SiC復合材料核包殼管端口封裝的塞頭上設有凹槽，使其端口既具有良好的氣密性，又能抵抗核反應時產生的氣體內脹力，防止核輻射泄露。同時采與SiC/SiC復合材料的熱膨脹系數相近、潤濕性良好的殼管封裝劑材料進行封口。本發明的有益效果是:通過本發明中設計的SiC/SiC包殼管的端口封裝結構及封裝技術使其端口既具有良好的氣密性，也防止核反應時產生的氣體內脹力使得塞頭迸出，防止核輻射泄露，提高核反應堆運行的安全性。
【附圖說明】
[0024]圖1是SiC/SiC端口無鉚釘封裝結構設計圖。
[0025]圖2是SiC/SiC端口含鉚釘封裝結構設計圖。
[0026]圖3是SiC/SiC端口螺紋封裝結構設計圖。
[0027]圖4是本發明的流程圖。
[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復合材料塞頭，2-封裝劑的儲料區凹槽，3-封裝面，4_包殼管，5_鉚釘，6-螺紋。
【具體實施方式】
[0031]現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述:
[0032]實施例一:
[0033]本實施例是在SiC/SiC復合材料片上做封裝測試。所涉及SiC/SiC復合材料片的尺寸為:10xl0x3(mm)，待封裝面尺寸為lOxlO(mm)。
[0034]本實施例的具體過程包括以下步驟:
[0035]步驟一、清洗待連接片。
[0036]將待封裝的SiC/SiC復合材料片放入酒精中超聲波清洗30min，將清洗后的復合材料片放入烘箱中烘干，烘箱溫度為150°C，烘干時間為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，封存備用。
[0039]步驟三、預封裝。
[0040]從步驟二中取適量封裝劑，在兩片SiC/SiC復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齊，并清理SiC/SiC復合材料片外殘留物，完成預封裝。
[0041]步驟四、封裝。
[0042]將步驟三預封裝件放入真空爐，在真空環境中，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復合材料片的封裝。
[0043]實施例二:
[0044]本實施例是在SiC/SiC復合材料包殼管上，采用無鉚釘的封裝結構，對核包殼管端口進行封裝。所涉及到的SiC/SiC復合材料包殼管尺寸:外徑12.50mm、管厚2mm、管長130mm。
[0045]本實施例的具體過程包括以下步驟:
[0046]步驟一、封裝結構設計及端頭加工。
[0047]包殼管的端口封裝結構設計為:塞頭無鉚釘連接設計，在SiC/SiC復合材料的塞頭設計封裝劑的儲料區。根據設計加工SiC/SiC復合材料塞頭、SiC/SiC復合材料包殼管(見圖
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[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