一种具有火花等离子体烧结的端塞的SiC基体燃料包壳管的制作方法
【专利说明】一种具有火花等离子体烧结的端塞的S i C基体燃料包壳管
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年9月16日提交的美国专利申请序列号N0.14/027,299的权益，通过引用将其并入本文。
【背景技术】1 ■
技术领域
[0003]本发明涉及一种由碳化硅(在此称为SiC)制成的燃料棒包壳管，而不管包壳设计的结构(单式、在内部上具有单式SiC的双联式、以及由SiC纤维和外部上的SiC基体制成的复合体、等等)，其具有火花等离子体烧结密封端塞。
[0004]2.相关技术说明
[0005]在典型的核反应堆，例如压水(PWR )、重水(如CANDU)或沸水反应堆(BWR)中，该反应堆芯包括大量的燃料组件，每个组件由多个长的燃料元件或燃料棒构成。每个燃料棒包含核燃料裂变材料，例如二氧化铀(UO2)、二氧化钚(PuO2)和氮化铀(UN)和/或硅化铀(U3Si2)中的至少一种；以及在芯块之上或之内的可能的添加剂，例如硼或硼化合物，钆或钆化合物等，其通常为核燃料芯块的堆踩体形式，尽管也使用环形或颗粒形式。该燃料棒具有充当裂变材料的容器的包壳。所述燃料棒在阵列中被分组在一起，将该阵列组织成在芯中提供足以支持高速率核裂变的中子通量，因而以热的形式释放大量的能量。将冷却剂如水栗送通过该芯，以提取在芯中产生的热量用于产生有用的工作。燃料组件在尺寸和设计方面根据芯的所需尺寸和反应器的尺寸而改变。
[0006]燃料棒上的包壳通常由锆(Zr)与高达约2wt%的其它金属如Nb、Sn、Fe和Cr制成。例如Biancheria等，Kapi I和Lahoda教导了这样的错合金包壳管(分别是美国专利N0.3427222; 5075075;以及7139360)。燃料棒/包壳具有在各端处的端帽和压紧装置例如金属弹簧以保持核燃料芯块堆踩体就位。图1示出了这种类型的现有技术设计，显示了一串燃料芯块10、锆基包壳12、弹簧压紧装置14和端帽16。
[0007]存在一些与金属包壳燃料棒相关的问题。如果与可能存在于前文所提及的冷却水中的碎肩接触，它们可磨损。在严酷的条件下诸如"超出设计基础"事故中，金属包壳可在超过1093°C(2000°F)下与蒸汽进行放热反应。这些保护核燃料的锆包壳金属可在〃冷却剂损失〃事故中失去强度，在该事故中反应器温度可高达1204°C (2200° F)，且由于燃料棒中的内部裂变气体而膨胀。此外，持续性的应用工业需求已经将反应器操作温度和包壳的辐射暴露推至极限。
[0008]所有这些促使考虑使用实验性陶瓷类材料，例如由Maruyama等人(美国专利N0.6246740)，Zender(美国专利 N0.5391 428) ,Hanzawa 等人(美国专利N0.5338576);Feinroth(美国专利N0.5182077和美国专利公开N0.2006/0039524A1) ,Easier等人(美国专利公开号2007/0189952A1);和无关地Korton(美国专利N0.6697448)教导的碳化硅(SiC)单式、纤维以及它们的组合作为金属燃料棒的完整或部分替代。
[0009]必须在核工业中寻找绝对正确的组合以使通常脆性的陶瓷显著更加柔性，从而在完全失效条件下释放应力/温度/压力。一种可能性是使用实验性SiC纤维增强的SiC复合体;高纯β或α相化学计量比的碳化硅的二层或三层管，其覆盖有浸渍了 β相SiC的连续β相化学计量比的碳化硅纤维的中心复合体层，以及在三层的情况下覆盖有细粒度的β相碳化硅的外保护层。建议预压该纤维组分，将纤维形成丝束，而丝束反向缠绕重叠;其中纤维涂覆有小于I微米的SiC或碳或石墨或氮化硼从而提供允许滑动的弱接头，所有这些获得更好的应变抵抗性和柔性。Feinroth等人在美国专利公开N0.2006/0039524 Al(通过引用将其并入本文)中描述了这样的核燃料管，以及使用公知的化学气相渗透(CVI)、聚合物浸渍和热解(PIP)进行的基体致密化。还建议在氧化铝基体中的氧化铝(Al2O3)纤维作为替代物。
[0010]如在此使用的，术语〃陶瓷复合体〃意指且定义为所有上述的包括SiC和Al2O3的复合型结构。
[0011 ]令人惊奇的是，几乎没有提到关于这种陶瓷复合体的端塞。事实上，迄今为止，找到附接端塞和确保陶瓷复合体包壳例如碳化硅燃料棒包壳的密闭性的密封技术仍是很难的任务，这是由于对于这样的接合接头提出的各种要求:
[0012]-在正常工作期间和之后确保机械强度、预期的操作事件、很少发生的事故和限制性错误；
[0013]-在辐射和核反应堆的特定腐蚀性环境下确保端塞和包壳接头的密闭性；
[0014]一使接合工艺适应全负载的包壳(其具有燃料芯块和压紧装置)。此外，端塞和密封技术必须允许在一般高达300psi的压力下用氦或其它导热回填气对燃料棒进行加压；
[0015]-允许接合工艺使经济规模成为商业化。
[0016]最近已经研究了几种密封技术;但是到目前为止，它们中没有一个被证明在核环境中是成功的，而在此其为必要的。因此，存在多种提出的密封技术，它们使用各种化合物(除了SiC)来密封SiC部件(例如钛基制剂、Al-Si制剂)，包括钎焊和其它技术，例如:VChaumat等人，美国专利申请公开N0.2013/0004325A1 ;A.Gasse，美国专利公开2003/0038166;A.Gasse 等人，美国专利 5 975 407 ;F.Montgomery 等人(美国专利5 447 683)；G.A.Rossi等人，(美国专利N0.4 925 608);和McDermid，"Thermodynamic brazing alloydes ign for joining silicon carbide^J.Am.Ceram.Soc.Vol.74,N0.8,pp.1855-1860,1991。
[0017]自从2007年在SiC接合技术中已有爆炸性的研究；例如:C.H.Henager，Jr.等人，〃Coatings and joining for SiC and SiC composites for nuclear energy systems.Journal of Nuclear Materials.367，370(2007) 1139-1143 ;M.Ferraris等人，"Joiningof machined SiC/SiC composites for thermonuclear fus1n reactors."Journal ofNuclear Materials.375 (2008 )410-415 ; J.Li等人，"A high temperature T1-Sieutectic braze for joining SiC,"Materials Letters.62(2008),3135-3138；ff,Tian,^React1n joining of SiC ceramics using TiB2~based composites，"Journal of theEuropean Ceramic Society.30(2010)3203-3208and M.Ferraris等人，"Joining of SiC-based materials for nuclear energy applicat1ns，"Journal of NuclearMaterials.417(2011)379-382。这些文章尝试评价手段的效用以确保越来越高的输出。该效用需要越来越大的应力设计和材料，这对于满足世界能量的需要是经济上必要的。
[0018]上述陶瓷模型不再是实验性的，且通常显示具有高的机械强度，且认为能实现对于核反应堆所需的气密性;然而，这些接合技术没能表现出对于在核反应堆环境中存活典型的燃料棒寿命所必要的腐蚀和辐射抵抗性。Munir等描述的其它密封技术(如实验性火花等离子体烧结，下文称为〃SPS〃)，“The effect of electric field and pressure on thesynthesis and consolidat1n of materials herein incorporated by reference,describes:a review of the spark plasma sintering method,.Mater Sc1.41(2006)763，777。它们不使用额外的化学化合物;但是使用该方法的经济性大规模生产迄今仍是难以捉摸的且仍保持为挑战。熟知的用于许多商业领域的技术一热等静压(HIP)，也可以用于将SiC接合到SiC，但前面提到的HIP(A Rossi等人，美国专利4925608)在密封性核燃料棒的易碎环境中不实用，这是由于长的烧结循环和高的温度(约1700°C)和极高的压力，且不适用于批量生产。所需要的是，用陶瓷或金属的端帽密封该管状陶瓷复合体的商业上可行的接合方法。
[0019]本发明的主要目的是提供一种制造高强度、密闭性密封、商业上有用和可行的端塞密封件的方法，和使用陶瓷复