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，屬于核反應堆技術領域。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、內瓷管、上可伐帽和可伐導針組成。具體制備方法如下：首先將外瓷管、內瓷管在封接部位進行鉬錳金屬化，再將金屬化后的外瓷管、內瓷管與下可伐帽、上可伐帽、可伐套管、可伐導針和不銹鋼金屬法蘭盤進行組裝；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
技術領域
[0001] 本發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，屬于核反應堆
技術領域。
【背景技術】
[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 堆芯結構材料。高溫氣冷堆一回路壓力邊界由反應堆壓力容器、蒸汽發生器承壓殼和熱氣 導管承壓殼組成，在一回路中使用電氣貫穿件是防止反應堆的放射性氣體向環境泄漏而采 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為高溫、高壓的純氦氣，同時高溫氣冷堆設計 中將動密封問題轉化為靜密封問題，因此高溫氣冷堆對于一回路中電氣貫穿件的要求很 高，制造技術難度也很大。電氣貫穿件作為高溫氣冷堆的核心設備，對于確保高溫氣冷堆一 回路壓力邊界的完整性至關重要，是高溫氣冷堆安全防護最重要的屏障。
[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 有明顯區別。壓水堆安全殼內空氣通常是室溫大氣壓，設計壓力相對較小。而高溫氣冷堆一 回路內氦氣工作壓力達到幾個兆帕，并且高溫氣冷堆電氣貫穿件的工作溫度也遠比壓水堆 高。目前應用于壓水堆上的電氣貫穿件均采用有機物作為密封材料，這種有機物密封材料 不能滿足高溫氣冷堆的使用要求。
[0005] 2011年3月日本福島發生核泄漏事故后，日本東京電力公司對福島核泄露事件的 分析證實，過高溫度和壓力摧毀了福島核電站中用有機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，需要開發采用無機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體之間通過高溫燒結實現固定，并且使用金屬法蘭與陶瓷組件進 行整體式接頭焊接，就可以達到很好的絕緣和密封效果。中國專利文獻公開了一種金屬陶 瓷燒結的高溫高壓電氣貫穿件（申請號CN201310282770.5)，但是對于高溫氣冷堆低壓控制 型電氣貫穿件不適用。本發明主要針對高溫氣冷堆中低電壓弱信號的低壓控制型電氣貫穿 件。
[0007] 作為傳輸控制信號的低壓貫穿件，絕緣性能要求苛刻。常用的貫穿件僅通過一層 有機絕緣材料將導針和基體隔開，在空氣濕度大、絕緣材料蒙塵等情況下，會造成絕緣材料 表面形成漏導電流、甚至出現爬電現象。這些都會對反應堆內外的控制傳輸信號造成干擾， 容易導致安全隱患。本發明采用獨特的雙層陶瓷絕緣材料、三電極設計，可以減少漏導電 流，保證通訊信號不受干擾。
【發明內容】
[0008] 本發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、內瓷管5、上可伐帽6和可伐導針7組成；由內到外依次為可伐導針7、內瓷管 5、 外瓷管3、可伐套管2、不銹鋼金屬法蘭盤1;上可伐帽6為上部與可伐導針7相連接、下部與 內瓷管5相連接;下可伐帽4為上部與內瓷管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、可伐導針7是三個電極，其中，下可伐帽4在使用過程中接地。
[0010] 所述外瓷管3、內瓷管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、內瓷 管5在封接部位進行鉬錳金屬化，再將金屬化后的外瓷管3、內瓷管5與下可伐帽4、上可伐帽 6、可伐套管2、可伐導針7、不銹鋼金屬法蘭盤1進行組裝;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、內瓷管5、上可伐帽6 和可伐導針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、錳粉和有機活化劑混合制成的鉬錳膏涂于外瓷管3、內瓷管5這兩 個部件上將要與下可伐帽4、上可伐帽6、可伐導針7、可伐套管2這四個部件進行連接的部 位;將涂覆后的外瓷管3、內瓷管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、可伐導針7、金屬化后的外瓷管3、金屬化后的內瓷管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、內瓷管5、不銹鋼金屬法蘭盤1這三個部件 上將要與下可伐帽4、上可伐帽6、可伐導針7、可伐套管2這四個部件進行連接的部位，并將 這七個部件按照順序組裝好，經固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進行釬焊，制得高溫 氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。
[0016] 進一步地，步驟(2)所述的鉬錳膏中，鉬粉與有機活化劑的質量比為（1.5~2.6): 1，錳粉與有機活化劑的質量比為(〇. 1~〇. 5): 1。
[0017] 進一步地，步驟⑶中，釬焊溫度為770~830°C，真空度為10-4Pa，釬焊時間為2~6 分鐘。
[0018] 本發明具有以下有益效果:采用外瓷管、內瓷管這種兩層絕緣陶瓷管以及三電極 的結構設計，有效提高了絕緣電阻、降低了漏導電流，有利于弱信號的精確采集;另外，相比 環氧樹脂有機物灌封的貫穿件，采用這種結構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 補了目前采用有機物密封材料制備電氣貫穿件所存在的壽命短、絕緣性能差的問題。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明所述的高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件的結構示意圖；
[0021 ]各編號的具體含義為：1-不銹鋼金屬法蘭盤，2-可伐套管，3-外瓷管，4-下可伐帽， 5-內瓷管，6-上可伐帽，7-可伐導針。
[0022] 圖2是內瓷管與可伐合金之間的封接斷面掃描電鏡圖以及元素擴散情況。
【具體實施方式】
[0023] 本發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，可以通過下列非 限定性實施例得到更加清楚的描述。
[0024] 實施例1
[0025] (1)將不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、外瓷管、下可伐帽、內瓷管、上可伐帽和可伐 導針置于清洗液中，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、錳粉和有機活化劑按照一定的質量比（鉬粉:有機活化劑= 2.0: 1;錳粉:活化劑= 0.4:1)配制成膏狀，涂于外瓷管、內瓷管這兩個組件上將要與下可伐帽、 上可伐帽、可伐導針、可伐套管這四個部件進行連接的部位;將涂覆后的外瓷管、內瓷管置 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、可伐導針、金屬化后的外瓷管、金屬化后的內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、內瓷管、不銹鋼金屬法蘭盤這三個部件上將 要與下可伐帽、上可伐帽、可伐導針、可伐套管這四個部件進行連接的部位，并將這七個部 件按照順序組裝好，經固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進行釬焊，溫度為790°C，真空 度為l(T4Pa，釬焊時間為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試結果如表1所示。
[0028]表1 790°C釬焊溫度下制備的樣件性能測試結果
[0030] 圖2是內瓷管與可伐合金之間的封接斷面掃描電鏡圖以及元素擴散情況，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合。
[0031] 實施例2
[0032] (1)將不銹鋼金屬法蘭盤、可伐套管、外瓷管、下可伐帽、內瓷管、上可伐帽和可伐 導針置于清洗液中，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、錳粉和有機活化劑按照一定的質量比（鉬粉:有機活化劑= 2.0: 1;錳粉:活化劑= 0.4:1)配制成膏狀，涂于外瓷管、內瓷管這兩個組件上將要與下可伐帽、 上可伐帽、可伐導針、可伐套管這四個部件進行連接的部位;將涂覆后的外瓷管、內瓷管置 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、可伐導針、金屬化后的外瓷管、金屬化后的內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、內瓷管、不銹鋼金屬法蘭盤這三個部件上將 要與下可伐帽、上可伐帽、可伐導針、可伐套管這四個部件進行連接的部位，并將這七個部 件按照順序組裝好，經固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進行釬焊，溫度為820°C，真空 度為l(T 4Pa，釬焊時間為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試結果如表2所示。
[0035] 表2 820°C釬焊溫度下制備的樣件性能測試結果
[0037]表3市購環氧樹脂灌封樣件性能測試結果
[0039]表3為市購環氧樹脂灌封樣件的性能測試結果。將表1、表2的結果與表3對比，可以 看出，本發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
【主權項】
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)、內瓷管(5)、上可伐帽(6)和可伐導針(7)組成；由內到 外依次為可伐導針(7)、內瓷管(5)、外瓷管(3)、可伐套管(2)、不銹鋼金屬法蘭盤（1);上可 伐帽(6)的上部與可伐導針(7)相連接，下部與內瓷管(5)相連接;下可伐帽（4)的上部與內 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)、可伐導針 (7)是三個電極，其中，下可伐帽(4)在使用過程中接地。2. 根據權利要求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 針(7)由4J33可伐合金制成。3. 權利要求1-2任一項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)、內瓷管（5)在封接部位進行鉬錳金屬化，再將金屬化后的外瓷管 (3)、內瓷管(5)與下可伐帽（4)、上可伐帽（6)、可伐套管(2)、可伐導針(7)、不銹鋼金屬法蘭 盤（1)進行組裝;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. 根據權利要求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)、內瓷管（5)、上可 伐帽(6)和可伐導針(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、錳粉和有機活化劑混合制成的鉬錳膏涂于外瓷管(3)、內瓷管(5)這兩 個部件上將要與下可伐帽(4)、上可伐帽(6)、可伐導針(7)、可伐套管(2)這四個部件進行封 接的部位;將涂覆后的外瓷管(3)、內瓷管(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)、可伐導針(7)、金屬化后的外瓷管(3)、金屬化后的內瓷管(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)、內瓷管（5)、不銹鋼金屬法蘭盤（1)這三個部 件上將要與下可伐帽(4)、上可伐帽(6)、可伐導針(7)、可伐套管(2)這四個部件進行連接的 部位，并將這七個部件按照順序組裝好，經固定后放置于石墨夾具中，在真空爐中進行釬 焊，制得高溫氣冷堆低壓控制型電氣貫穿件。5. 根據權利要求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 活化劑的質量比為(1.5~2.6): 1，錳粉與有機活化劑的質量比為(0.1~0.5): 1。6. 根據權利要求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，釬焊時間為2~6分鐘。
【文檔編號】G21C21/00GK105869684SQ201610192739
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】張勇, 宋曉貞, 趙玉娜, 仝守強, 楊冬亮, 陳永洲, 沈子欽
【申請人】清華大學