本發(fā)明屬于核燃料包殼管封裝技術，具體涉及一種用于抗事故sic/sic核燃料包殼管復合端口封裝的封裝劑。

背景技術：

1、基于①核能發(fā)電不會產生溫室氣體co2；②核燃料能量密度高；③大幅度降低且穩(wěn)定發(fā)電成本；④核資源豐富等諸多優(yōu)勢，我國制定了核電優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，計劃到2030年核電總裝機容量將達到1.36億kw，核電發(fā)電量將達到總電總量的11.8％。壓水堆是世界上最早開發(fā)且應用最廣泛的反應堆堆型，經過了先軍用后民用、由船用到陸用的發(fā)展過程，截止2021年12月，世界上在役大型核電站壓水堆的總數超過300座，占核電站總體比例接近70％；我國在役大型核電站壓水堆的總數超過50座，占核電站總體比例高達96％。燃料元件棒是反應堆堆芯的核心構件，是核裂變鏈式反應的發(fā)生地，也是核動力的熱源，其由燃料芯塊、燃料包殼管、壓緊彈簧、上下端塞等幾部分組成，而燃料包殼管與上下端塞的連接部位往往是構件的結構薄弱部位，其在常態(tài)工況及事故工況下的壽命及穩(wěn)定性與反應堆的安全裕量密切相關。目前商用壓水堆燃料元件通常采用焊接工藝連接鋯合金燃料包殼管和鋯合金上下端塞，然而日本福島核事故揭露了鋯合金在嚴重失水事故下與高溫水蒸氣反應產生氫氣并熔毀的重大安全缺陷。

2、在后福島時代，開發(fā)事故容錯燃料元件是國際上核材料熱點研究方向。sic/sic復合材料具有力/熱學性能優(yōu)異、熱中子吸收截面低、耐腐蝕等特性，是最有發(fā)展前景的事故容錯燃料包殼管材料。sic/sic包殼管為薄壁高長徑比的特殊構件，其上下端部與sic端塞的連接/封裝技術是亟待解決的關鍵核心問題?？紤]到①國產第三代sic連續(xù)纖維最高使用溫度相對較低；②為了保證薄壁構件的結構完整性，應采用低/無壓力連接工藝；③連接層與sic/sic復合材料和sic端塞的力熱學匹配特性，使用玻璃陶瓷基連接劑進行端口封裝是最為可行且簡便的方法。

3、中國專利(公開號cn110903102a、cn109336634b和cn112851389a)分別公開了cao-y2o3-al2o3-sio2、cao-mgo-al2o3-sio2和cao-al2o3-sio2-li2o玻璃陶瓷連接核用sic/sic復合材料或sic陶瓷的方法，但氧化物玻璃陶瓷連接存在熱導率低的固有缺陷，不僅會降低核燃料與冷卻劑之間的換熱效率，而且在loca狀態(tài)下高熱流密度梯度作用時在sic/sic包殼管與sic端塞之間形成極大的熱應力。綜合考慮上述因素，在現有的玻璃陶瓷連接工藝中，添加與連接構件同質的填料一維sic晶須和sic顆粒是改善連接處熱學特性并提高loca狀態(tài)下連接構件結構穩(wěn)定性的有效方法。

技術實現思路

1、本發(fā)明旨在克服現有抗事故sic/sic燃料包殼管與sic端塞的玻璃陶瓷連接層性能不足的缺陷，本發(fā)明提供了一種在傳統(tǒng)的玻璃陶瓷封裝劑中引入高導熱sic相和優(yōu)異力學性能的一維sic晶須，通過調控封裝劑的配比，形成sic晶須、sic顆粒共增強的玻璃陶瓷連接層，進而有效改善包殼管端塞連接處的力熱學性能及l(fā)oca狀態(tài)下的結構穩(wěn)定性。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種用于抗事故sic/sic核燃料包殼管復合端口封裝的封裝劑，包括：組份為mgo、al2o3、sio2、zro2的玻璃粉、sic粉體、sic晶須、結合劑、溶劑；所述玻璃粉中mgo、al2o3、sio2、zro2的摩爾比為(15～40)：(10～25)：(35～50)：(5～10)；所述玻璃粉、sic粉體、sic晶須、結合劑、溶劑的體積比為(20～35)：(5～10)：(5～10)：(3～50)：(45～60)。

3、較佳地，所述sic粉體的顆粒中粒徑級配為20μm：5μm：0.5μm＝5：3：2，純度＞99％。

4、較佳地，所述sic晶須的長徑比為(20～50)：1，直徑為0.2～0.5μm，純度＞99％。

5、較佳地，所述結合劑為酚醛樹脂和有機硅樹脂的復配，質量比為(1～3)：1；優(yōu)選為2:1。

6、較佳地，所述溶劑為二甲苯、丙酮、環(huán)己烷中的至少一種，純度＞99％。

7、第二方面，本發(fā)明還提供了一種制備所述封裝劑的方法，包括：

8、(1)將高純mgo、al2o3、sio2、zro2粉體按一定的摩爾比混合，置于坩堝中加熱、攪拌至熔融澄清，隨后水淬為玻璃粉并研磨；

9、(2)將所得玻璃粉、sic粉體、sic晶須、結合劑、溶劑混合，得到膏狀的復合端口封裝劑。

10、較佳地，步驟(1)中，所述高純mgo、al2o3、sio2、zro2粉體的粒度為0.5～10μm，純度＞99％。

11、較佳地，步驟(1)中，所述加熱的溫度為1500～1700℃，時間為30～120min；所述攪拌的速率為30～60rpm/min，時間為60～180min；研磨后粉體的中位徑為0.5～10μm。

12、第三方面，本發(fā)明提供了一種上述封裝劑對sic/sic核燃料包殼管復合端口進行封裝的方法，包括：將所述封裝劑涂抹于sic/sic包殼管和sic端塞的接觸面處，干燥并固化后于高溫惰性氣氛下熱處理，最后隨爐冷卻，完成sic/sic核燃料包殼管復合端口的封裝。

13、較佳地，所述固化的溫度為70～140℃，時間為1～5h；所述惰性氣氛為氬氣或氦氣；所述熱處理的溫度為1100～1400℃，保溫時間為1～5h，升溫速率為5～10℃/min。

14、本發(fā)明中，通過在傳統(tǒng)的玻璃陶瓷封裝劑中引入高導熱sic相和優(yōu)異力學性能的一維sic晶須，并結合封裝劑的配方比例調控，形成sic晶須、sic顆粒共增強的玻璃陶瓷連接層，進而有效改善包殼管端塞連接處的力熱學性能及l(fā)oca狀態(tài)下的結構穩(wěn)定性。

15、有益效果：

16、本發(fā)明的用于抗事故sic/sic核燃料包殼管用復合端口封裝的封裝劑具有以下優(yōu)點：

17、(1)整體熱中子吸收截面小，對裂變反應無不利影響。

18、(2)一維sic晶須作為增強相，顯著提高了結合層sic/微晶玻璃的力學性能。

19、(3)引入高導熱且彌散分布的sic相，改善了傳統(tǒng)氧化物微晶玻璃連接層的熱學特性，進而降低了包殼管端口連接處在失水事故下的熱應力，最終提高了壓水堆設計上的安全裕量。

技術特征：

1.一種用于抗事故sic/sic核燃料包殼管復合端口封裝的封裝劑，其特征在于，包括：組份為mgo、al2o3、sio2、zro2的玻璃粉、sic粉體、sic晶須、結合劑、溶劑；所述玻璃粉中mgo、al2o3、sio2、zro2的摩爾比為(15～40)：(10～25)：(35～50)：(5～10)；所述玻璃粉、sic粉體、sic晶須、結合劑、溶劑的體積比為(20～35)：(5～10)：(5～10)：(3～50)：(45～60)。

2.根據權利要求1所述的封裝劑，其特征在于，所述sic粉體的顆粒中粒徑級配為20μm：5μm：0.5μm＝5：3：2，純度＞99％。

3.根據權利要求1或2所述的封裝劑，其特征在于，所述sic晶須的長徑比為(20～50)：1，直徑為0.2～0.5μm，純度＞99％。

4.根據權利要求1-3中任一項所述的封裝劑，其特征在于，所述結合劑為酚醛樹脂和有機硅樹脂的復配，質量比為(1～3)：1；優(yōu)選為2:1。

5.根據權利要求1-4中任一項所述的封裝劑，其特征在于，所述溶劑為二甲苯、丙酮、環(huán)己烷中的至少一種，純度＞99％。

6.一種如權利要求1-5中任一項所述的封裝劑的制備方法，其特征在于，包括：

7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述高純mgo、al2o3、sio2、zro2粉體的粒度為0.5～10μm，純度＞99％。

8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述加熱的溫度為1500～1700℃，時間為30～120min；所述攪拌的速率為30～60rpm/min，時間為60～180min；研磨后粉體的中位徑為0.5～10μm。

9.一種使用權利要求1-5中任一項所述的封裝劑對sic/sic核燃料包殼管復合端口進行封裝的方法，其特征在于，包括：將所述封裝劑涂抹于sic/sic包殼管和sic端塞的接觸面處，干燥并固化后于高溫惰性氣氛下熱處理，最后隨爐冷卻，完成sic/sic核燃料包殼管復合端口的封裝。

10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述固化的溫度為70～140℃，時間為1～5h；所述惰性氣氛為氬氣或氦氣；所述熱處理的溫度為1100～1400℃，保溫時間為1～5h，升溫速率為5～10℃/min。

技術總結
本發(fā)明涉及一種用于抗事故SiC/SiC核燃料包殼管復合端口封裝的封裝劑。所述封裝劑包括：組份為MgO、Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、SiO<subgt;2</subgt;、ZrO<subgt;2</subgt;的玻璃粉、SiC粉體、SiC晶須、結合劑、溶劑；所述玻璃粉中MgO、Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、SiO<subgt;2</subgt;、ZrO<subgt;2</subgt;的摩爾比為(15～40)：(10～25)：(35～50)：(5～10)；所述玻璃粉、SiC粉體、SiC晶須、結合劑、溶劑的體積比為(20～35)：(5～10)：(5～10)：(3～50)：(45～60)。

技術研發(fā)人員：董紹明,肖夢麗,羅瀚,丁陽,張翔宇,陳向陽,周海軍,葉臣,薛玉冬,張朝柱,游瀟,廖春景,劉猛
受保護的技術使用者：中國科學院上海硅酸鹽研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9