具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核燃料包殼管設(shè)計，具體涉及一種具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]核能作為一種清潔能源得到廣泛的應(yīng)用。然而福島事故之后，人們對核電站的安全性越來越重視。早期的核反應(yīng)堆裝置中，大多采用鋯或鋯合金作為包殼管材料。但是在事故情況下，核反應(yīng)堆溫度內(nèi)急劇升高，鋯或鋯合金發(fā)生相變，引起體積變化，最終導(dǎo)致包殼管壁破裂，而且在高溫下其對水的抗腐蝕性較差。因此，提高核燃料包殼管應(yīng)對事故的能力顯得尤為重要。SiC陶瓷及其復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗輻照性等優(yōu)點，現(xiàn)已成為核燃料包殼管的理想候選材料。
[0003]目前關(guān)于SiC陶瓷及其復(fù)合材料用于核燃料包殼管，如在專利US20090032178A1中公開了一種三層結(jié)構(gòu)的SiC基包殼管，其中外層和內(nèi)層均為單相SiC陶瓷層，中間層為連續(xù)SiC纖維增韌SiC復(fù)合材料。在專利US2006/003924A1中公開了一種多層陶瓷管結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體介紹了各層組分及制造流程，其內(nèi)層和外層均為單相SiC陶瓷。在文南犬“Hallstadius L, Johnson S,Lahoda E.Cladding for high performance fuel[J].Progress in Nuclear Energy, 2012，57:71-76.”中講述了美國西屋公司制備的一種雙層結(jié)構(gòu)的SiC基包殼管，其中內(nèi)層為單相SiC陶瓷層，外層為SiC/SiC復(fù)合材料層。
[0004]雖然這些SiC基包殼管的結(jié)構(gòu)有很大的差異，但是它們有一個共同的特點，就是內(nèi)層都為致密的單相SiC陶瓷層，其作用是防止氫氣和裂變氣體的泄露。然而SiC陶瓷材料具有很高的模量，在工作情況下，由于核燃料塊熱脹冷縮引起的體積變化，以及外界的震動(例如地震、海嘯等)引起核燃料塊對包殼管內(nèi)壁的物理撞擊，會在包殼管內(nèi)壁的SiC陶瓷層上產(chǎn)生裂紋。從而使其喪失原有的功能，進(jìn)一步可能會引起嚴(yán)重的核燃料泄露事故以及發(fā)生氫氣爆炸。這一問題在美國橡樹嶺國家重點實驗關(guān)于SiC基多層包殼管的試驗的報告中也得到了證實，他們發(fā)現(xiàn)服役之后的包殼管內(nèi)壁的SiC陶瓷層中產(chǎn)生了大量裂紋。因此防止核燃料包殼管內(nèi)壁的SiC陶瓷層中出現(xiàn)裂紋就顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)及制備方法，在二層或三層的SiC基核燃料包殼管內(nèi)引入一層抗裂紋擴展層，可以得到一種具有抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管。
[0007]技術(shù)方案
[0008]一種具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)，包括二層或三層的SiC基核燃料包殼管，其特征在于:將SiC基核燃料包殼管的內(nèi)層作為次內(nèi)層結(jié)構(gòu)，在次內(nèi)層的內(nèi)部引入一層抗裂紋擴展層作為內(nèi)層結(jié)構(gòu)，形成三層或四層的SiC基核燃料包殼管；所述引入的內(nèi)層結(jié)構(gòu)材料模量要低于次內(nèi)層SiC材料的模量的低模量的抗輻照材料。
[0009]所述引入一層抗裂紋擴展層作為內(nèi)層結(jié)構(gòu)的厚度為50?200 μπι。
[0010]所述低模量的抗輻照材料為耐高溫的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料、金屬或無機非金屬材料。
[0011]所述纖維增強陶瓷基復(fù)合材料中的纖維選擇碳纖維或碳化硅纖維。
[0012]所述纖維增強陶瓷基復(fù)合材料中的陶瓷基體選擇碳、碳化硅、碳化鋯或MAX相基體。
[0013]所述金屬材料包括鋯、0DS鋼、鉭、鉬、鈮或FeCrAl。
[0014]所述無機非金屬材料包括MAX相陶瓷或ZrC陶瓷。
[0015]—種制備所述具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于步驟如下:
[0016]步驟1:選擇低于次內(nèi)層SiC材料的模量的低模量的抗輻照材料作為內(nèi)層管體，內(nèi)層管體的厚度為50?200 μ m ；
[0017]步驟2:采用CVD工藝在內(nèi)層管體表面沉積一層致密SiC陶瓷層；
[0018]步驟3:在致密SiC陶瓷層外編織一層SiC纖維預(yù)制體，在SiC纖維預(yù)制體上沉積一層熱解碳作為復(fù)合材料界面層，采用PIP、CV1、RMI或其它致密化工藝，將SiC纖維預(yù)制體制成SiCf/SiC復(fù)合材料；
[0019]當(dāng)核燃料包殼管為四層結(jié)構(gòu)時，采用CVD工藝在次外層表面沉積一層致密SiC陶瓷層。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明提出的一種具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)及制備方法，由于
(1)裂紋在材料中的產(chǎn)生和擴展與材料斷裂韌性是相關(guān)的，材料的斷裂韌性越大裂紋在材料中的擴展越困難。而材料的斷裂韌性是與材料的彈性模量成正比關(guān)系的。彈性模量表征的是材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的一個指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。因此，可以認(rèn)為裂紋在具有較大彈性模量的材料中較難擴展，即裂紋在彈性模量較大的材料中擴展所遇到的阻力較大；(2)當(dāng)裂紋從彈性模量較低的材料中向彈性模量較大大的材料中擴散時所遇到的阻力也是很大的，此時裂紋會停止擴展或者沿垂直于彈性模量增大的方向擴展。所以，將SiC基核燃料包殼管的內(nèi)層作為次內(nèi)層結(jié)構(gòu)，在次內(nèi)層的內(nèi)部引入一層材料模量要低于次內(nèi)層SiC材料的模量的低模量的抗輻照材料作為抗裂紋擴展層的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，形成三層或四層的SiC基核燃料包殼管，可以達(dá)到防止核燃料包殼管內(nèi)壁的SiC陶瓷層中出現(xiàn)裂紋的效果Ο
【附圖說明】
[0022]圖1:本發(fā)明所設(shè)計的具有抗裂紋擴展能力的三層包殼管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2:本發(fā)明所設(shè)計的具有抗裂紋擴展能力的四層包殼管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3:本發(fā)明所設(shè)計的以Cf/SiC復(fù)合材料為抗裂紋擴展層的包殼管的實物圖；
[0025]圖4:本發(fā)明所設(shè)計的以Cf/SiC復(fù)合材料為抗裂紋擴展層的包殼管的截面掃描電鏡圖；
[0026]1-低模量層抗裂紋擴展層，2-SiC陶瓷層，3-SiC/SiC復(fù)合材料層，4-外層。
【具體實施方式】
[0027]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0028]本發(fā)明實施例的抗裂紋擴展核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)，采用三層或四層結(jié)構(gòu)，其設(shè)計方案如下:
[0029](1)內(nèi)層:選擇模量低于次內(nèi)層致密的SiC陶瓷材料的低模量的抗輻照材料；
[0030](2)次內(nèi)層:根據(jù)使用要求選擇致密的SiC陶瓷材料；
[0031](3)次外層:選擇SiCf/SiC復(fù)合材料；
[0032](4)外層:根據(jù)冷卻劑是否會對SiCf/SiC復(fù)合材料層具有腐蝕作用，可選擇添加或者不添加該層，如果添加，可選擇致密的陶瓷材料，如SiC陶瓷、ZrC陶瓷等。
[0033]實施例1:選擇Cf/SiC復(fù)合材料作為抗裂紋擴展層的四層SiC基包殼管。SiC陶瓷的彈性模量為400?440GPa，而Cf/SiC復(fù)合材料的模量只有75?85GPa。因此裂紋很難通過Cf/SiC復(fù)合材料層向SiC陶瓷層發(fā)生徑向擴展，而且Cf/SiC復(fù)合材料相對于陶瓷具有更好的韌性，能夠阻止裂紋的產(chǎn)生與擴展，從而更好地保護(hù)了次內(nèi)層SiC陶