一种用于压水堆电气贯穿件导体组件的玻璃-金属密封材料及制备方法与流程

1.本发明涉及核反应安全技术领域，具体涉及一种用于压水堆电气贯穿件导体组件的玻璃-金属密封材料及制备方法。


背景技术：

2.压水堆全称“加压水慢化冷却反应堆”。以加压的、未发生沸腾的轻水(即普通水)作为慢化剂和冷却剂的反应堆。由燃料组件、慢化剂(兼作冷却剂)、控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件、堆芯吊篮和压力壳等组成，是属于核电站中应用数量较多、容量较大的堆型。
3.压水堆电气贯穿件是安装在反应堆安全壳上，用于电缆穿越安全壳的专用电气设备，在正常及各种事故工况下，电气贯穿件应能够保证安全壳的完整性，阻止放射性物质外泄，同时维持安全壳内电气和信号的连续性。电气贯穿件主要功能部件包括导体组件和筒体组件，导体组件贯穿整个筒体组件，实现安全壳内外各类电缆物理连接，在实现电气连接和信号传输功能的同时，与贯穿件筒体组件共同实现安全壳压力边界的完整性。
4.电气贯穿件导体组件主要由金属壳体、金属导体和密封材料组成，其中密封材料的种类主要包括高分子、玻璃和陶瓷，金属壳体和金属导体之间由密封材料进行密封，因此密封材料的选择决定了电气贯穿件导体组件的性能。目前在压水堆电气贯穿件中，高分子密封材料使用最为广泛。
5.尽管高分子密封材料在各项性能上均能满足电气贯穿件的严格标准，但高分子材料在长期运行以及延寿运行时难免发生脆化、蠕变等老化现象，老化后如果发生高温高湿、高辐照事故时存在丧失密封和绝缘功能的风险。而使用玻璃-金属密封材料替代电气贯穿件导体组件中使用的高分子密封材料，可以提升极限工况下压力边界的密封性能，降低事故后发生放射性外泄的风险。因此，玻璃-金属密封的电气贯穿件导体组件成为了更安全可靠的选择。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于压水堆电气贯穿件导体组件的玻璃-金属密封材料及制备方法。采用该方法制备的电气贯穿件具有高气密性、高绝缘性、耐辐照、阻燃等特性，从而解决了高分子密封电气贯穿件导体组件中存在的材料本身的不足与缺陷。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种用于压水堆电气贯穿件导体组件的玻璃-金属密封材料，所述压水堆电气贯穿件导体组件主要由金属壳体、金属导体和密封材料组成，所述密封材料为玻璃材料，所述玻璃材料的组分以氧化物为基准的重量百分比计含有：sio2:50～70％、b2o3:8～13％、al2o3:4～8％、na2o:3～8％、ceo2:2～4％、k2o:0～2％、tio2:0～2％、cao:0～2％、zro2:0～1％，coo：0～1％，各组分之和为100％。
8.进一步地，所述金属壳体的材质为06cr19ni10不锈钢。
9.进一步地，所述金属导体的材质为无氧铜。
10.进一步地，所述玻璃材料的膨胀系数为170～180
×
10-7
/k。
11.一种用于压水堆电气贯穿件导体组件的玻璃-金属密封材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
12.步骤(1)、按照玻璃配比称取原料sio2:50～70％、b2o3:8～13％、al2o3:4～8％、na2o:3～8％、ceo2:2～4％、k2o:0～2％、tio2:0～2％、cao:0～2％、zro2:0～1％，coo：0～1％，将原料置于v型混料机中混合30～40min；
13.步骤(2)、混合均匀的原料在1550～1650℃下保温80～100min进行高温熔融，经过水淬后得到玻璃渣；
14.步骤(3)、在行星球磨机中球磨玻璃渣，按料球比1:0.8～1加入研磨球，球磨时间为100～120min；研磨后的玻璃粉过筛，取150目筛下的玻璃粉备用；
15.步骤(4)、将150目筛下的玻璃粉分散于由溶剂、分散剂与粘结剂组成的液相中，加入研磨球，球磨100～120min后，得到玻璃粉浆料；所述玻璃粉、溶剂、分散剂、粘结剂与研磨球的质量比为110:70～76:0.8～1.2:11～14:165～180；
16.步骤(5)、将玻璃粉浆料置于喷雾造粒塔中进行喷雾造粒，得到的造粒粉过筛，取80～200目之间的造粒粉备用；
17.步骤(6)、利用压制成型将造粒粉制备成所需的玻璃坯，在360～600℃下对玻璃坯进行排胶，在650～700℃下对玻璃坯进行玻化，得到所需的玻璃珠；
18.步骤(7)、将金属壳体、玻璃珠、金属导体、烧结模具装配在一起，放入气氛烧结炉中，并通入氮气，在960～980℃保温15～20min进行封接。
19.进一步地，所述步骤(4)中，溶剂为去离子水，分散剂为聚丙烯酸钠，粘结剂为聚乙二醇，研磨球为直径5mm的氧化锆球。
20.进一步地，所述步骤(7)中，烧结模具为石墨材料。
21.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的用于压水堆电气贯穿件导体组件的玻璃-金属密封材料及制备方法，采用本发明制备的封接玻璃与金属壳体和插针的膨胀系数相差在10％以内，可以实现匹配封接。匹配封接的优点是可以将封接体系中的应力控制在安全范围之内，封接玻璃不会因应力过大而产生裂纹、气泡等缺陷，故采用本发明制备的密封材料封接的导体组件具有高气密性。同时本发明设计的封接玻璃配方为高硼硅玻璃体系，碱金属氧化物含量相对较少，对整个玻璃体系的电导率影响不大，因此采用本发明制备的密封材料封接的导体组件具有高绝缘性，且该体系玻璃材料相比高分子材料在高温下稳定性更好，具有更优秀的阻燃性。该配方还加入了稀土氧化物氧化铈，可以提高玻璃材料的耐辐照性能。因此密封材料封接的导体组件具有高气密性、高绝缘性、耐辐照、阻燃等特性。
附图说明
22.图1为本发明提供的同轴导体组件的封接示意图。
23.其中，1-金属壳体；2-金属导体；3-密封材料。
具体实施方式
24.下面通过具体实施例来进一步说明本发明。但这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
25.实施例1～4
26.1)按照玻璃配比称取原料sio2:50～70％、b2o3:8～13％、al2o3:4～8％、na2o:3～8％、ceo2:2～4％、k2o:0～2％、tio2:0～2％、cao:0～2％、zro2:0～1％，coo：0～1％，将原料置于v型混料机中混合30～40min；
27.2)混合均匀的原料在1600℃下保温100min进行高温熔融，经过水淬后得到玻璃渣；
28.3)在行星球磨机中球磨玻璃渣，按料球比1:0.8加入研磨球，球磨时间为120min。研磨后的玻璃粉过筛，取150目筛下的玻璃粉备用；
29.4)将150目筛下的玻璃粉分散于由溶剂、分散剂与粘结剂组成的液相中，加入研磨球，球磨100min后，得到玻璃粉浆料，玻璃粉、溶剂、分散剂、粘结剂与研磨球的质量比为110:76:1:13:165；
30.5)将玻璃粉浆料置于喷雾造粒塔中进行喷雾造粒，得到的造粒粉过筛，取80～200目之间的造粒粉备用。
31.6)利用压制成型将造粒粉制备成所需的玻璃坯，在360～600℃下对玻璃坯进行排胶，在650～700℃下对玻璃坯进行玻化。
32.7)将金属壳体1、作为密封材料3的预制玻璃珠、金属导体2、烧结模具装配在一起，放入气氛烧结炉中，并通入氮气，在960～980℃保温20min进行封接。
33.测试该玻璃-金属密封导体组件的气体泄漏率、绝缘电阻、耐电压值、耐压值等性能，其中，气体泄漏率通过氦质谱检漏仪测得，绝缘电阻通过绝缘电阻测定仪测得，耐电压值通过耐压测试仪测得，耐压值通过高温测井压力试验箱测得。上述性能测试数据汇总如下表所示：
34.[0035][0036]
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。