SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核能的核燃料包壳管封装技术，具体涉及一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，主要用于防止包壳管端口接头处核辐射泄露。
【背景技术】
[0002]众所周知，日本福岛的核辐射泄露事故，造成了惨痛的伤亡。事故发生后，相关人员究其原因，发现是核燃料的包壳管----Zr管，与反应堆中的水在一定条件下发生反应，短时间内放出大量的氢气聚集，发生爆炸，引起核辐射泄露。事故现场核辐射放射剂量较大，对周边环境影响严重。之后，麻省理工大学(MIT)相关人员就SiC/SiC复合材料能否作为核燃料包壳管，能否切实保障核安全作了大量基础研究，研究表明SiC/SiC复合材料具有高强度、耐辐射、耐高温、耐腐蚀且对核燃料无污染等性能，使得SiC/SiC复合材料成为下一代压水反应堆最具竞争力的、安全性高的包壳管材料。
[0003]核包壳管有其特殊性:其一，包壳管是薄壁细长管，外径10cm，壁厚1mm，管长4m;其二，当发生核事故时，要能承受1200°C以上25MPa的内胀力；其三，气密性要好，防止壳内辐照产生的气体泄漏。核包壳管不仅要耐高温而且要有好的气密性，使得SiC/SiC核包壳管的封装成为其能否得到应用的一个关键技术问题。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，涉及到Y203-Al203-Si02玻璃陶瓷的封装技术，以及包壳管端口的封装结构设计，推进SiC/SiC核包壳管应用到核反应堆上，将核辐射泄露事故防患于未然，提高核反应堆运行的安全性。
[0006]技术方案
[0007]—种SiC/SiC复合材料塞头，其特征在于:塞头为T型圆柱形结构，T型结构堵头的下端设有置放封装剂的储料区凹槽。
[0008]在凹槽与堵头之间设有铆钉孔。
[0009]T型结构堵头的下端设有连接螺纹。
[0010]—种利用SiC/SiC复合材料塞头实现SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法，其特征在于步骤如下:
[0011]步骤1:将SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管放入酒精中超声波清洗30min?60min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干；
[0012]步骤2:将封装剂涂覆在SiC/SiC塞头和SiC/SiC包壳管内壁，并使得SiC/SiC塞头的储料区凹槽内充满封装剂，然后将塞头装入SiC/SiC复合材料包壳管待封装端口，并清理塞头和SiC/SiC包壳管外残留物，完成预封装；
[0013]步骤3:将预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5?20°C/min从室温升至1360°C?1420°C，保温30min?45min;再以降温速度1?2°C/min降温至1300°C?1350°C，并保温60min?75min;最后以降温速度5?20°C/min降至室温。
[0014]当SiC/SiC复合材料塞头采用权利要求2所述结构时，需要在步骤1中清洗烘干穿入铆钉孔的铆钉，在步骤2将塞头装入SiC/SiC复合材料包壳管待封装端口后将铆钉铆入铆钉孔中。
[0015]当SiC/SiC复合材料塞头采用权利要求3所述结构时，需要在SiC/SiC复合材料核包壳管端口的内壁设有内螺纹结构，在步骤2将塞头通过螺纹旋入SiC/SiC复合材料包壳管端口。
[0016]所述烘箱温度为150?200°C，烘干时间为2_4h。
[0017]—种用于所述SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的方法的封装剂，其特征在于组份为 Y2O3、A1203 和 Si02 ；质量配比为:10 % ?20 % 的 Y2O3、20 % ?40 % 的 ΑΙ2Ο3、40 % ?70 %的Si02;组合物中各组分的质量百分比之和为100%。
[0018]所述Υ203、Α1203和Si02的粒度为0.1-1微米。
[0019]—种制备所述封装剂的方法，其特征在于步骤如下:
[0020]步骤1:将质量配比为10 %?20 %的Y2O3、20 %?40 %的ΑΙ2Ο3、40 %?70 %的Si02进行混合球磨；
[0021 ]步骤2:加入酒精混合均匀制成封装剂，所述加入的酒精量为混合料的90wt%。
[0022]有益效果
[0023]本发明提出的一种SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头及封装方法，在SiC/SiC复合材料核包壳管端口封装的塞头上设有凹槽，使其端口既具有良好的气密性，又能抵抗核反应时产生的气体内胀力，防止核辐射泄露。同时采与SiC/SiC复合材料的热膨胀系数相近、润湿性良好的壳管封装剂材料进行封口。本发明的有益效果是:通过本发明中设计的SiC/SiC包壳管的端口封装结构及封装技术使其端口既具有良好的气密性，也防止核反应时产生的气体内胀力使得塞头迸出，防止核辐射泄露，提高核反应堆运行的安全性。
【附图说明】
[0024]图1是SiC/SiC端口无铆钉封装结构设计图。
[0025]图2是SiC/SiC端口含铆钉封装结构设计图。
[0026]图3是SiC/SiC端口螺纹封装结构设计图。
[0027]图4是本发明的流程图。
[0028]图5是封装层的微观形貌示意图。
[0029]a图为封装层的整体形貌图，b图为封装层界面处的局部放大图。
[0030]Ι-SiC/SiC复合材料塞头，2-封装剂的储料区凹槽，3-封装面，4_包壳管，5_铆钉，6-螺纹。
【具体实施方式】
[0031]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0032]实施例一:
[0033]本实施例是在SiC/SiC复合材料片上做封装测试。所涉及SiC/SiC复合材料片的尺寸为:10xl0x3(mm)，待封装面尺寸为lOxlO(mm)。
[0034]本实施例的具体过程包括以下步骤:
[0035]步骤一、清洗待连接片。
[0036]将待封装的SiC/SiC复合材料片放入酒精中超声波清洗30min，将清洗后的复合材料片放入烘箱中烘干，烘箱温度为150°C，烘干时间为2h。
[0037]步骤二、配备封装剂。
[0038]采用尺度在0.8μπι的Y203、A1203、Si02三种粉料，其配比质量比为:Υ20310.31%、Α120314.77 %、Si0274.92%,将三者混合球磨5h，使其混合均匀。取适量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70wt%，混合均匀制成封装剂，封存备用。
[0039]步骤三、预封装。
[0040]从步骤二中取适量封装剂，在两片SiC/SiC复合材料的待封装面均匀涂上封装剂，将两片涂有封装剂的面接触且对齐，并清理SiC/SiC复合材料片外残留物，完成预封装。
[0041]步骤四、封装。
[0042]将步骤三预封装件放入真空炉，在真空环境中，按升温速率5°C/min从室温升至1420°C，保温45min;再以降温速度2°C/min降温至1350°C，并保温60min ；最后以降温速度5°C/min降至室温。完成SiC/SiC复合材料片的封装。
[0043]实施例二:
[0044]本实施例是在SiC/SiC复合材料包壳管上，采用无铆钉的封装结构，对核包壳管端口进行封装。所涉及到的SiC/SiC复合材料包壳管尺寸:外径12.50mm、管厚2mm、管长130mm。
[0045]本实施例的具体过程包括以下步骤:
[0046]步骤一、封装结构设计及端头加工。
[0047]包壳管的端口封装结构设计为:塞头无铆钉连接设计，在SiC/SiC复合材料的塞头设计封装剂的储料区。根据设计加工SiC/SiC复合材料塞头、SiC/SiC复合材料包壳管(见图
Do
[0048]步骤二、清洗待连接件。
[0049]将塞头和包壳管放入酒精中超声波清洗30min，将清洗后的塞头和包壳管放入烘箱中烘干，烘箱温度为200°C，烘干时间为3h。
[0050]步骤三、配备封装剂。
[0051 ] 采用尺度在Ιμπι的Y203、Al203、Si02三种粉料，其配比质量比为:Y203 10.31%、Α120314.77%,Si02 74.92%,将三者混合球磨5h，使其混合均匀。取适量混合料，并加入酒精，加入的酒精量是混合料的70