和圆周接触方法，和图4描述了其中端帽具有顶部和内部接触的方法。在这些方法中，至少一个电极24邻接和接触或者围绕该陶瓷复合体管。图5示出了本发明的方法，其中40，提供具有内部与外部管壁和圆周轴的管状陶瓷复合体;该陶瓷复合体附接于42至少一种端塞组合物，优选是与该陶瓷复合体相同的组合物:端帽44覆盖陶瓷复合体的顶部、内部和侧部，这是完整而复杂的密封端帽；或端帽46仅覆盖如图3所示的陶瓷复合体管的顶部和侧部;或端帽48覆盖如图4所示的陶瓷复合体管的顶部和内部。可以使用或不使用糊料将端塞置于管端上，且将电极施加于管和端塞，所有这些施加于火花等离子体烧结装置(11，50)从而将固化的端塞密闭地牢固密封于陶瓷复合体52的端部。
[0052]此外，可以具有下列特征:
[0053].使用由SiC制成的2-18英尺(60.96 — 548.64cm)长的端部密封的燃料棒管，其由至少一个且至多三个理论密度>95%的单式SiC内层，由SiCf/-SiC复合体制成的层和任选的沉积SiC外层构成；
[0054].使用上述用单式SiC或金属端塞在一端或两端处密封的燃料棒管，使用火花等离子体烧结方法，在接合接头处具有或不具有SiC前体糊料材料，使用其它陶瓷复合体糊料，金属钎焊材料，含玻璃的材料例如S12-Al2O3,或金属钎焊化合物例如Si和Al;
[0055].其中端塞包含圆形槽，其宽度为燃料棒管厚度的1.001-1.1倍，深度为0.05-.5英寸(0.127-1.27厘米)，其中燃料棒管是密封的；
[0056].其中端塞安装于燃料棒管的内部或外部到0.05至I英寸(0.127-2.54cm)的深度，从而提供相对的面，其中燃料棒管是密封的；
[0057].其中端塞组合物/前体材料而非管是在这些方法之一中制成的:化学气相沉积(CVD)、冷挤压然后无压烧结、HIP或增材制造方法例如3D打印和激光辅助沉积/烧结；
[0058].其中SiC前体材料的密度为理论值的35%_60%;
[0059].其中将端塞和燃料棒管的相对接头抛光到镜面光洁度，或者用320粒度或更细的金刚石纸抛光；以及
[0060].其中燃料棒管的内径为0.25-0.60英寸(0.635-1.524cm)，管的厚度范围为
0.01-0.15英寸(0.025-0.381cm) ο
[0061]本发明提供了一种引人注目的并且可能是未来主义的方法来商业和实际地生产半柔性的、受控的、灾难中能够挽救生命的密封的2-18英尺(60.96-548.64cm)长的半柔性的燃料棒管，其由单式SiC和SiC纤维基体或其它〃陶瓷复合体〃构成，其回充有至多500psi的氦或其他气体。
[0062]燃料棒管优选具有双联式结构，该结构由内部单式SiC层或多层和外部SiC/SiC优选复合体层构成。用由SiC或其他材料制成的端塞在一端或两端处密封该管。使用电场辅助烧结技术例如火花等离子体烧结方法将管和端塞接合在一起。可以在环境条件或在真空中或在加压的室中或加热的室中进行该接合。密封管是气密的且在至多1000psi的压差下在至多1500 °C持续至少6年不会变形。
实施例
[0063]用0.026英寸(0.066cm)SiC复合体层缠绕由12英尺(365.76厘米)长的挤压化学计量比的α相核反应堆SiC管构成的"陶瓷复合体"，该管用于在反应堆中容纳核燃料，其内径为0.32英寸(0.8128cm)且壁厚为0.015英寸(0.0381cm)，密度为SiC理论密度的95%，该SiC复合体层由6层化学计量比的β相SiC纤维缠绕物构成，且利用化学气相渗透而渗透有β相的化学计量比SiC至复合体的净密度大于SiC理论密度的80%。
[0064]用挤压的化学计量比的α相端塞密封该〃陶瓷复合体〃，所述端塞具有高度抛光的内部和上部管密封面，如图4所示，其是利用熟知和前文定义的等离子体火花烧结在充有375psi的氦的腔室中在环境条件下施加的。加热速率为200°C/分钟，接合压力为5MPa，在塞子/管的接合接头处的峰值温度为2100°C，在峰值温度下的保持时间为5分钟至60分钟。
[0065]这提供了一种根据前述的调整的火花等离子体烧结工艺成功地将端帽施加到陶瓷复合体SiC管的方法，从而对PSA密封端管提供了标准核压力和温度，并且对于弯曲和开裂基本具有回弹性。
[0066]尽管详细描述了本发明的特定实施方案，但本领域技术人员可以理解，可以根据本公开的整体教导开发各种对于这些细节的改变和替代。因此，所公开的特定实施方案对于本发明的范围只是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等同物的完全范围所给出。
【主权项】
1.提供加端帽的管状陶瓷复合体从而将管密闭地密封于至少一个端帽的方法，包括: (1)提供具有管壁和圆周轴以及至少一种端塞(14)材料的管状陶瓷复合体(40，12); (2)将至少一种端塞(14)材料施加于管状陶瓷组合物的至少一端，该端塞具有外侧和内侧； (3)将至少一个初级电极(22)施加于至少一个端塞(14)的外侧； (4)任选将至少一个次级电极(24)施加于管状陶瓷复合体(40，12)的外侧(20); (5)将电流施加于电极，使用火花等离子体烧结装置(50)以在包壳/塞子接头中提供至多1500°C/min的快速升温，其中在端塞与管端的接头处的接头温度为环境温度-2500°C。2.权利要求1的方法，其中端帽(I4)由选自陶瓷、碳化物、氮化物、金属和金属合金的材料制成。3.权利要求1的方法，其中端塞(14)基于SiC。4.权利要求1的方法，其中在步骤(I)之后，将管状陶瓷复合体和端帽(14)的接头端进行抛光。5.权利要求1的方法，其中在步骤(4)中不施加次级电极(24)。6.权利要求1的方法，其中在步骤(4)中施加次级电极(24)。7.提供加端帽的管状陶瓷复合体从而将管密闭地密封于至少一个端帽的方法，包括: (1)提供具有管壁和圆周轴以及至少一种端塞(14)材料的管状陶瓷复合体(40，12); (2)将至少一种陶瓷端塞(14)组合物或陶瓷前体组合物材料施加于管状陶瓷组合物的至少一端，该端塞具有外侧和内侧； (3)将至少一个初级电极(22)施加于至少一个端塞(14)的外侧； (4)任选将至少一个次级电极(24)施加于管状陶瓷复合体的外侧(20); (5)将电流施加于电极，使用火花等离子体烧结装置(50)(SPS)以在包壳/塞子间隙中提供至多1500°C/min的快速升温，其中在端塞与管端的管接头处的接头温度为环境温度-25000C，在0.0OlMPa至50MPa的压力下施加0.01 — 60分钟从而将管密闭地密封于至少一个端帽。8.权利要求7的方法，其中陶瓷端帽(14)与该陶瓷复合体是相同的，或是与该陶瓷复合体相同的材料的前体。9.权利要求7的方法，其中在1.0到5.0分钟和0.001 — 1MPa下，施加SPS工艺(50)的操作参数直到1500 0C /分钟，和直到2500 0C。10.权利要求7的方法，其中优选的管状陶瓷复合体和端帽(14)由SiC制成。11.权利要求6的方法，其中在步骤(I)之后，将管状陶瓷复合体和端帽(14)的接头端进行抛光。12.权利要求6的方法，其中在步骤(4)中不施加次级电极(24)。13.权利要求7的方法，其中最优选的管状陶瓷复合体(40，12)由SiC复合体制成，该SiC复合体包含在内侧上的单式SiC基层或多层和在SiC基的基体中的至少一个SiC基纤维层。14.权利要求7的方法，其中管状陶瓷复合体(40，12)长2英尺到18英尺。15.权利要求7的方法，其中在步骤(I)之后，将管状陶瓷复合体和端帽(14)的接头端进行抛光。16.权利要求7的方法，其中在步骤(4)之后施加4至20MPa的接合压力，在步骤(5)之后施加5分钟至60分钟的保持时间。17.权利要求7的方法，其中在步骤(I)或步骤2)之后以50ps1-500psi的背压将惰性气体引入管中。18.权利要求17的方法，其中惰性气体是氦。19.权利要求7的方法，其中在SPS装置(50)中的炉温为约50°C至1500 °C。20.由权利要求7的方法制成的管状陶瓷复合体(40，12)。
【专利摘要】提供用于在核反应堆中容纳核燃料(34)的端帽管状陶瓷复合体的方法，包括提供管状陶瓷复合体(40)的步骤，提供至少一个端塞(14、46、48)，向管状陶瓷复合体的端部施加至少一种端塞材料，向端塞和管状陶瓷复合体施加电极，和在等离子体烧结装置(10，50)中施加电流从而提供密闭性密封的管(52)。本发明还提供由该方法制成的密封管。
【IPC分类】G21C3/06, G21C3/10
【公开号】CN105706176
【申请号】CN201480050687
【发明人】徐鹏, E·J·拉霍达, L·霍尔斯塔迪尔斯, 崔俊衡, 樋口真一, 鹿野文寿
【申请人】西屋电气有限责任公司, 株式会社东芝
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2014年8月18日
【公告号】EP3047489A1, US20150078505, WO2015038286A1