具有高温密封性和容灾性的多层复合燃料包壳系统技术方案

本发明专利技术涉及包括陶瓷和金属组分的组合的多层包壳。多层涂层包括内层、中间层和外层。内层可以形成包壳结构，中间层可以包括陶瓷复合材料或含陶瓷复合材料，所述含陶瓷复合材料由基体材料和互锁的编织或编造纤维构成，所述互锁的编织或编造纤维例如为包绕在内层上以形成编织结构的纤维束，并且外层可以由金属或金属合金构成，例如呈涂层的形式。多层包壳有效保护包壳结构的内含物免于暴露于高温环境中。

Multi layer composite fuel cladding system with high temperature sealing and disaster tolerance

The invention relates to a multilayer cladding including a combination of ceramic and metal components. The multilayer coating consists of the inner layer, the middle layer and the outer layer. The inner layer can form a cladding structure, and the middle layer may include ceramic composites or ceramic composites. The ceramic composite is made up of a matrix material and interlocking woven or fabricated fibers. The interlocked knitting or fabricating fiber is, for example, a fiber bundle wrapped around the inner layer to form a woven fabric, and the outer layer is available. Consisting of metal or metal alloys, such as coating. Multilayer cladding protects the inclusion structure effectively from exposure to high temperatures.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高温密封性和容灾性的多层复合燃料包壳系统
本专利技术涉及包壳，所述包壳由多层复合材料构成，用于在高温环境中使用以用作保护包壳的内含物的屏障，本专利技术还涉及制造复合材料的方法。更具体地，本专利技术涉及在具有水、液态金属或液态盐冷却剂的反应堆中使用的多层复合燃料包壳。
技术介绍
动力反应堆可以包括具有大量燃料组件的反应堆堆芯，每个燃料组件由多个细长的燃料元件或燃料棒组成。燃料组件的尺寸和设计依据期望的堆芯尺寸和反应堆尺寸而改变。燃料棒均含有裂变燃料材料，诸如含有一些量的裂变U235或U233的铀和/或含有钚的燃料芯块。裂变组件的裂变导致产生热。诸如水、液态盐、气体或液体金属(例如铅)的冷却剂被泵送通过反应堆堆芯以提取在反应堆堆芯中产生的热，以产生诸如电的有用功。每根燃料棒均具有包壳，所述包壳用作容器以保持放射性燃料材料并使得燃料材料与冷却剂介质分隔开。此外，在操作期间中，裂变产生具有高度放射性的气态、挥发性以及非挥发性裂变产物，这些裂变产物也受到包壳限制。在传统的金属包壳系统中，随着时间的推移，放射导致金属在硬化和脆化以及材料膨胀方面受损伤。图1示出了现有技术的燃料包壳设计，其示出了燃料芯块10、锆基包壳12、弹簧按压装置14和端塞的堆叠16。本领域中的最新发展提供了由含陶瓷的材料(诸如碳化硅(SiC))构成的燃料棒包壳。已经显示SiC在超出设计基准事故，例如在轻水反应堆中在高于1200℃的温度下，表现出期望的性能，并且因此可以被认为是用于核燃料棒包壳的适当构造材料。然而，一般由于陶瓷材料的天然非弹性，难以在因处理或事故或自然现象(例如地震)引起的屈曲期间保持裂变气体不可渗透性。也难以以高产量、以经济的方式将端塞紧固在SiC管上，从而在超过1200℃的温度下产生气密密封。在本领域中希望提供一种包覆材料，该包覆材料提供高温机械强度和稳定性、抗膨胀性和耐腐蚀性，同时针对外部环境提供保护性和气密性。还没有发现可以为包壳提供所有期望性能的单一材料。因此，本专利技术的目的是提供一种包含多于一种材料的复合材料，每种材料呈现出对包壳有利的不同性质。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术提供了一种含陶瓷和金属的多层包壳，该多层包壳包括：内层，所述内层具有内表面和外表面并且由金属或金属合金构成；具有内表面和外表面的中间层，所述中间层形成在所述内层的外表面上并且包括复合材料或者互锁陶瓷纤维，所述复合材料包括互锁陶瓷纤维和基体，所述基体选自包括陶瓷基体、金属基体或它们的组合的组；以及外层，所述外层沉积在中间层的外表面上并且由金属或金属合金构成。该复合材料可以包括碳化硅基体和编织或编造的碳化硅纤维，或者包括氧化铝基体和编织或编造的氧化铝纤维。外层可以包括由氧化铝形成的金属合金(alumina-formingmetalalloy)，在由氧化铝形成的金属合金上具有抗氧化涂层。在某些实施例中，外层包括铁-铬-铝合金，可选地添加有钇。在另一方面中，本专利技术提供了一种形成含陶瓷和金属的多层包壳的方法。该方法包括形成内层，所述内层具有内表面和外表面并且由金属或金属合金构成；将具有内表面和外表面的中间层施加到内层的外表面，其中，中间层包括复合材料或者互锁陶瓷纤维，该复合材料包括互锁陶瓷纤维和基体，所述基体选自包括陶瓷基体、金属基体或其组合的组；以及将由金属或金属合金构成的外层沉积在中间层的外表面上。施加中间层可以包括：获得呈纤维束形式的陶瓷纤维；将纤维束包绕、缠绕或编织到内层上；形成编织的陶瓷纤维结构，在所述编织的陶瓷纤维结构中形成孔隙；以及使用选自化学气相沉积、化学气相渗透和溶胶凝胶渗透的工艺将所述基体沉积在编织的陶瓷纤维结构上，以至少部分地填充孔隙。在某些实施例中，由选自电弧、液相或冷喷涂的工艺形成外层。附图说明从结合附图阅读对优选实施例的下述描述，可以获得对本专利技术的进一步理解，在所述附图中：图1是示出根据现有技术的燃料包壳的示意图；和图2是示出根据本专利技术某些实施例的多层包壳的轴向截面图的示意图。具体实施方式本专利技术整体涉及用于形成包壳的多层材料和用于制备多层材料的方法以及用于制备由多层材料构成的包壳的方法。多层包壳包括陶瓷和金属组分的组合。多层材料包括内层、中间层和外层。一般来说，内层可以由金属或合金构成，以形成用于裂变产物的气密性屏障，并且内层还可以为包壳结构的其余部分提供一些机械支撑；中间层可以包括陶瓷复合材料或含有陶瓷的复合材料，该含有陶瓷的复合材料由基体材料和互锁的编织或编造纤维(例如，包绕在内层上以形成编织结构的纤维束)构成；并且外层可以由金属或金属合金构成，诸如呈涂层的形式。一般来说，多层包壳是一种有效的屏障，用于保护容纳在包壳结构内的内含物免于暴露于高温环境和机械应力中。例如，包壳可以适合用作燃料包壳，所述燃料包壳用于在具有在非常高的温度下循环的水、液态盐或液体金属冷却剂的反应堆环境中容纳核燃料，诸如但不限于铅冷快速反应堆。燃料包壳具有承受与所述反应堆相关的正常状况和事故状况的能力。为了便于描述，本专利技术在本文中在用于容纳或保持放射性燃料芯块的燃料包壳的背景中描述，其中，包壳被放置在反应堆堆芯中并暴露于围绕包壳外部并穿过堆芯循环的高温冷却剂。然而，应该理解的是，本专利技术并不局限于该背景。预期本专利技术的多层复合包壳可适用于非放射性(例如非核)应用，并可包括任何高温热或传质应用，其中，至少一种流体(液体或气体)相需要与另一种固体、流体(如气体或液体)相或混合相系统(诸如具有气体裂变产物的固体燃料芯块)分隔开，如在高温能量产生和存储应用(包括但不限于太阳能(使用高温传热)的情况下燃烧和基于化石的动力技术。燃料棒包壳通常呈细长管的形状，其具有在其中形成的腔和两个相对的开口端。管壁的厚度可以变化。在某些实施例中，管壁厚度为约100微米至约1000微米。腔具有容纳在其中的燃料芯块，并且通常具有按压装置(诸如弹簧)，以保持燃料芯块的构造(例如堆垛)。密封机构典型地位于包壳的每个开口端处或位于包壳的每个开口端中，以提供密封并防止在堆芯中循环的冷却剂进入燃料棒包壳的腔。如图1所示。燃料棒包壳位于核反应堆的堆芯中。燃料棒包壳通常主要用于容纳裂变燃料芯块并且将由燃料芯块和裂变产生的裂变产物与冷却剂介质分离，在所述裂变燃料芯块中裂变导致产生热量。包壳通常由金属材料(金属或金属合金)构成或者可替代地由陶瓷材料构成。存在与金属包壳和陶瓷包壳中的每一种相关的优点和缺点。例如，金属包壳提供良好的气密性、良好的延展性、可调节的强度和可重整的防腐蚀层。相比之下，陶瓷包壳提供了高刚性、高温强度、在氧化和腐蚀环境中的高温生存能力。根据本专利技术的燃料棒包壳提供了一种多层材料系统，该多层材料系统结合金属/金属合金和陶瓷材料两者，使得与这些材料中的每一种相关的性质和优点都可以在包壳中展现出来。通常，由多层材料系统组成的燃料棒包壳避免了与常规陶瓷复合系统相关的问题，诸如在保持材料延展性和高温强度的同时难以实现气密性。不旨在受任何特定理论的束缚，认为这种性质冲突是由于复合陶瓷基体中需要细小规格的基体开裂，这促进了在陶瓷材料应变期间(例如，假延展性)的延伸。此外，根据本专利技术的包壳可以基于陶瓷复合材料的独特制造提供事故容忍能力。结果，本专利技术的燃料棒包壳可以在热或快速反应堆中提供燃料的高温性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含陶瓷和金属的多层包壳(21)，所述多层包壳包括：内层(23)，所述内层具有内表面(25)和外表面(27)并且由金属或金属合金构成；具有内表面(31)和外表面(33)的中间层(29)，所述中间层形成在所述内层(23)的外表面(27)上并且包括：复合材料，所述复合材料包括：互锁陶瓷纤维；和基体，所述基体选自包括陶瓷基体、金属基体或它们的组合的组，或者互锁陶瓷纤维；以及外层(35)，所述外层沉积在所述中间层(29)的外表面(33)上并且由金属或金属合金构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.02 US 14/956,8921.一种含陶瓷和金属的多层包壳(21)，所述多层包壳包括：内层(23)，所述内层具有内表面(25)和外表面(27)并且由金属或金属合金构成；具有内表面(31)和外表面(33)的中间层(29)，所述中间层形成在所述内层(23)的外表面(27)上并且包括：复合材料，所述复合材料包括：互锁陶瓷纤维；和基体，所述基体选自包括陶瓷基体、金属基体或它们的组合的组，或者互锁陶瓷纤维；以及外层(35)，所述外层沉积在所述中间层(29)的外表面(33)上并且由金属或金属合金构成。2.根据权利要求1所述的多层包壳(21)，其中，所述内层(23)构造成在内层中形成用于容纳核燃料的空腔(24)。3.根据权利要求2所述的多层包壳(21)，其中，所述内层(23)构造成形成圆柱形管。4.根据权利要求1所述的多层包壳(21)，其中，所述内层(23)包括的材料选自包括奥氏体钢、铁素体-马氏体钢、铁合金、锆合金、钛合金及它们的层叠组合的组。5.根据权利要求1所述的多层包壳(21)，其中，所述复合材料包括碳化硅基体和编织或编造的碳化硅纤维。6.根据权利要求1所述的多层包壳(21)，其中，所述复合材料包括氧化铝基体和编织或编造的氧化铝纤维。7.根据权利要求1所述的多层包壳(21)，其中，所述陶瓷纤维呈纤维束的形式，所述纤维束以编织或卷绕结构构造。8.根据权利要求1所述的多层包壳(21)，其中，所述基体被沉积到编织或卷绕的陶瓷纤维结构上...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·伯克，E·J·拉霍达，P·费罗尼，F·弗兰切斯基尼，
申请(专利权)人：西屋电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US