一种核燃料包壳管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种核燃料包壳管，该核燃料包壳管选用铝硅碳陶瓷材料或者铝硅碳陶瓷基复合材料构成，或者，该核燃料包壳管的表面涂层选用所述铝硅碳陶瓷材料或者铝硅碳陶瓷基复合材料构成。其中，铝硅碳陶瓷材料的结构通式为(Al

A kind of nuclear fuel cladding tube and its preparation method

The invention provides a nuclear fuel cladding tube, which is made of aluminum silicon carbon ceramic material or aluminum silicon carbon ceramic matrix composite material, or the surface coating of the nuclear fuel cladding tube is made of the aluminum silicon carbon ceramic material or aluminum silicon carbon ceramic matrix composite material. Among them, the general structural formula of aluminum silicon carbon ceramic material is (al

【技术实现步骤摘要】
一种核燃料包壳管及其制备方法
本专利技术涉及核能关键结构材料领域，具体涉及一种核燃料包壳管及其制备方法。
技术介绍
核能是一种高效、经济、清洁的能源，经过近70年的发展，第四代核反应堆的研究逐步深入。为提高能量转换效率，核反应堆中堆芯温度将达1000℃以上。核燃料包壳管是堆芯结构中服役环境最苛刻的的重要部件之一，不仅直接与核燃料接触，需要具备良好的耐高温，耐辐照性能，还要在高温高压下与冷却剂，如超临界水，熔融氟盐，铅铋冷却剂等，直接接触，需要耐腐蚀性能优异。因此，核燃料包壳管材料需要耐高温，耐腐蚀，耐氧化，耐中子辐照以及良好的中子辐照稳定性(低辐照肿胀和低辐照脆性)。目前，核燃料包壳元件大多以锆合金作为首选材料，例如低锡锆-4合金、美国西屋公司开发的ZirloTM合金、日本的NDA和MDA合金、法国的M5合金，以及前苏联研制的E635合金等。但是，由于锆合金在反应堆内受到中子辐照后往往塑性降低而变脆，导致出现辐照肿胀甚至扭曲变形，因此使用周期较短，大约仅为1-1.5年，需要经常更换，大大提高了核反应堆的运行成本。更为关键的是，锆合金与水在高温下会发生锆水反应，产生氢气，易引起氢爆，这是日本福岛核事故的重要原因之一。
技术实现思路
针对上述以锆合金作为核燃料包壳元件材料所存在的不足，本专利技术提供了一种核燃料包壳管，具有耐高温、耐腐蚀、耐氧化、耐中子辐照等性能。本专利技术的技术方案为：一种核燃料包壳管，其特征是：所述核燃料包壳管选用铝硅碳陶瓷材料。所述铝硅碳陶瓷材料是具有(Al4C3)n(SiC)m结构组成的铝硅碳相材料，呈层状结构，其结构通式为(Al4C3)n(SiC)m，其中n指代铝硅碳单胞中Al4C3的层数，为自然数；m指代铝硅碳单胞中SiC的层数，为自然数。例如，当n＝1，m＝1时，硅碳陶瓷材料由一层Al4C3与一层SiC交替堆垛构成，其结构通式为Al4SiC4；当n＝2，m＝1时，铝硅碳陶瓷材料由两层Al4C3与一层SiC交替堆垛构成，其结构通式为Al8SiC7；当n＝1，m＝2时，铝硅碳陶瓷材料由一层Al4C3与两层SiC交替堆垛构成，其结构通式为Al4Si2C5。本专利技术还提供一种制备上述核燃料包壳管的方法，由反应物发生反应生成铝硅碳陶瓷粉体，然后将所述粉体成型为核燃料包壳管形状，最后进行烧结，得到燃料包壳管。所述的反应物可以是金属铝粉与陶瓷先驱体聚碳硅烷，这些反应物发生反应生成铝硅碳陶瓷粉体。其中，所述陶瓷先驱体聚碳硅烷可以包含异质元素，例如Al、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、B、N等。所述的反应物可以是氧化铝，氧化硅，碳化硅和碳粉，这些反应物发生反应生成铝硅碳陶瓷粉体。所述的反应物可以是金属铝粉，硅粉和石墨，这些反应物发生反应生成铝硅碳陶瓷粉体。所述的反应物可以是Al4C3和SiC，这些反应物发生反应生成铝硅碳陶瓷粉体。所述烧结方法不限，包括常规电阻烧结、微波烧结、热压烧结、放电等离子快速烧结等方法。考虑到陶瓷材料本征的脆性，作为优选，本专利技术的核燃料包壳管选用以所述铝硅碳陶瓷材料为基体，其中包含增强相的铝硅碳陶瓷基复合材料。作为优选，所述增强相质量占铝硅碳陶瓷材料质量的0.01～99.5wt％。所述增强相不限，可以是碳化硅纤维(SiCfiber，简称为SiCf)，碳化硅颗粒(SiCparticle，简称为SiC)，碳化硅晶须(SiCwhisker，简称为SiCw)，碳纤维(Carbonfiber，简称为Cf)，碳化锆(ZrC)，碳化钛(TiC)，钛硅碳(Ti3SiC2)，钛铝碳(Ti3AlC2)等中的一种或两种以上的组合。本专利技术还提供了一种制备上述核燃料包壳管的方法，将增强相与反应物混合，所述反应物发生反应会生成铝硅碳陶瓷粉体，混合物反应后生成增强相与铝硅碳陶瓷的复合粉体；然后将所述复合粉体成型为核燃料包壳管形状，最后进行烧结，得到燃料包壳管。作为优选，所述增强相是碳化硅纤维(SiCfiber)，碳化硅晶须(SiCwhisker)，或碳纤维(Carbonfiber)。此时，作为一种实现方式，所述核燃料包壳管的制备方法包括如下步骤：(1)按照核燃料包壳管的结构，将碳化硅纤维，碳化硅晶须，或碳纤维预编织成管状预制件；将反应物混合均匀，制成浆料；(2)将所述浆料浸渍管状预制件；(3)将浸渍后的管状预制件高温煅烧；(4)重复步骤(3)数次，直至高温煅烧后的管状预制件的相对密度高于70％，即制得核燃料包壳管。所述步骤(3)中，烧结方法不限，包括常规电阻烧结、微波烧结、热压烧结、放电等离子快速烧结等方法。与现有技术相比，本专利技术选用铝硅碳陶瓷材料作为核燃料包壳管，具有如下有益效果：(1)本专利技术中的铝硅碳陶瓷材料具有良好的高温力学性能，其高温弯曲强度比室温弯曲强度高50％；并且，铝硅碳陶瓷材料耐高温氧化性能优异，在高温氧化气氛下，表面可形成致密的氧化铝和莫来石保护膜，抑制其内部进一步的氧化，在1800℃的高温氧化环境中仍可稳定使用；另外，铝硅碳陶瓷材料导热性能良好，热导率可达80W·m-1·K-1；同时，铝硅碳陶瓷材料还具有较强的耐腐蚀性能和耐辐照性能，与碳化硅相近；最后，其独特的层状结构使得该材料还具有良好的抗热震和一定的损伤容限。本专利技术中选用该铝硅碳陶瓷材料得到的核燃料包壳管能够满足第四代裂变反应堆核能系统中结构元件关于耐高温、耐腐蚀、耐氧化、耐中子辐照以及良好的中子辐照稳定性等的性能要求，具有良好的应用前景。(2)考虑到陶瓷材料本征的脆性，本专利技术选用包含增强相的铝硅碳陶瓷基复合材料，进一步提高了核燃料包壳管的可靠性和安全性。(3)考虑到核燃料包壳管具有表面涂层的情况，本专利技术中还可以将该表面涂层选用铝硅碳陶瓷及其复合材料材料，用于增强包壳管基体的耐高温、耐腐蚀、耐氧化、耐中子辐照性能。附图说明图1是本专利技术实施例1中Al4SiC4/SiC复合材料的XRD图谱；图2是本专利技术实施例1中Al4SiC4/SiC复合材料的断口SEM照片；图3是本专利技术实施例3中SiCf/Al4SiC4复合材料的断口SE照片。具体实施方式实施例1：本实施例中，核燃料包壳管是碳化硅(SiC)与铝硅碳陶瓷材料(Al4SiC4)的复合材料(Al4SiC4/SiC)构成，其制备步骤如下：(1)将碳化硅与先驱体聚碳硅烷(PCS)在600℃，氩气保护气氛下交联固化处理1h，获得PCS-600粉体。(2)将适量的PCS-600粉体与Al粉球磨混匀，经真空干燥后，于1100℃，氩气保护下裂解处理2h。(3)步骤2中所得混合粉体预成型为核燃料包壳管形状，然后在1700℃热压烧结20min，即可制得Al4SiC4/SiC复合材料构成的核燃料包壳管。如图1所示为上述制得的Al4SiC4/SiC核燃料包壳管的XRD图谱，可看出复合材料由Al4SiC4和SiC组成，其中Al4SiC4为主相。图2为上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核燃料包壳管，其特征是：所述核燃料包壳管选用铝硅碳陶瓷材料，或者，所述核燃料包壳管选用铝硅碳陶瓷基复合材料；/n所述铝硅碳陶瓷基复合材料以铝硅碳陶瓷材料为基体，其中包含增强相；/n所述铝硅碳陶瓷材料的结构通式为(Al

【技术特征摘要】
1.一种核燃料包壳管，其特征是：所述核燃料包壳管选用铝硅碳陶瓷材料，或者，所述核燃料包壳管选用铝硅碳陶瓷基复合材料；
所述铝硅碳陶瓷基复合材料以铝硅碳陶瓷材料为基体，其中包含增强相；
所述铝硅碳陶瓷材料的结构通式为(Al4C3)n(SiC)m，其中n指代铝硅碳单胞中Al4C3的层数，为自然数；m指代铝硅碳单胞中SiC的层数，为自然数。


2.如权利要求1所述的核燃料包壳管，其特征是：n＝1，m＝1；或者，n＝1，m＝2；或者，n＝2，m＝1。


3.如权利要求1或2所述的核燃料包壳管的制备方法，其特征是：由反应物发生反应生成铝硅碳陶瓷粉体，然后将所述粉体成型为核燃料包壳管形状，最后进行烧结，得到燃料包壳管；或者，
将增强相与反应物混合，所述反应物发生反应会生成铝硅碳陶瓷粉体，混合物反应后生成增强相与铝硅碳陶瓷的复合粉体；然后将所述复合粉体成型为核燃料包壳管形状，最后进行烧结，得到核燃料包壳管。


4.如权利要求3所述的核燃料包壳管的制备方法，其特征是：所述的反应物是金属铝粉与陶瓷先驱体聚碳硅烷；或者，所述的反应物是氧化铝，氧化硅，碳化硅和碳粉；或者，所述的反应物是金属铝粉，硅粉和石墨；或者，所述的反应物是Al4C3和SiC。


5.如权利要求4所述的核燃料包壳管的制备方法，其特征是：所述陶瓷先驱体聚碳硅烷包含异质元素Al、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、B、N中的一种或者几种。

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆，邵俊琦，袁钦，王霁，周小兵，何流，都时禹，黄峰，黄政仁，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33