[发明专利]具有高耐久复合涂层结构的核反应堆压力容器下封头及其制备方法

说明书

本发明公开了核反应堆压力容器下封头及其制备方法。该核反应堆压力容器下封头包括：下封头基体；抗氧化底层，所述抗氧化底层形成在所述下封头基体外壁的至少部分表面；以及多孔金属顶层，所述多孔金属顶层形成在所述抗氧化底层远离所述下封头基体外壁的至少部分表面。该核反应堆压力容器下封头所采用的复合涂层可以显著提高下封头外壁表面的CHF限值，为提高大功率反应堆IVR的有效性奠定基础。

技术领域

本发明涉及核反应堆热工水力技术领域，具体而言，本发明涉及一种具有高耐久复合涂层的核反应堆压力容器下封头及其制备方法。

背景技术

熔融物压力容器内滞留(IVR)作为缓解严重事故的一种关键技术，近年来在核工业界获得了广泛的应用。反应堆压力容器外部冷却(ERVC)是实现IVR的重要方案。当压力容器下封头的热流密度小于压力容器外表面对应位置的临界热流密度(CHF)时，就可以保证压力容器外壁面的冷却，维持其完整性。因此CHF决定了ERVC冷却能力限值。CHF值越大，压力容器的安全裕量就越大，IVR-ERVC措施的可行性就越高。IVR-ERVC策略在中小功率反应堆上有足够的安全裕量，但是大功率反应堆压力容器下封头内导出的热流密度增大，为进一步提高IVR有效性，需提高CHF限值。大量研究表明，加热表面的结构特性对CHF有重要影响，所以改变压力容器外壁面结构特性是一种可行的CHF强化技术。在改变表面结构达到增强CHF的方法中，一般考虑在加热面上加工特殊结构或在加热面上制备多孔涂层。例如，采用先进的加工技术在表面制作微/纳米结构、可见沟槽结构、网槽连通阵列孔和凸起结构等，或采用相关涂层制备方法在加热表面制备多孔涂层形成的凹穴和隧道，改变表面结构特性，从而影响沸腾传热过程以达到强化换热和增强CHF的目的。

有研究指出，在压力容器外壁面制备一层具有相互贯通微孔的金属多孔涂层可使压力容器表面的CHF值提高一倍。然而单一多孔金属涂层可能难以满足核反应堆对压力容器外壁面涂层的长寿命要求。压力容器的材质一般为含铬量较低的低合金钢，长期暴露在空气中的压力容器外壁面在运行温度(～300℃)下极易发生氧化。由于多孔涂层不能隔绝外界空气与压力容器外壁的接触，在长期运行过程中，压力容器表面与多孔涂层之间会形成一层氧化物，氧化物的增厚可在短时间内导致多孔涂层的剥落。因此亟待开发具备可显著提高压力容器外壁面临界热流密度且具备长寿命的涂层结构设计及相应的具备大面积涂层制备的方法。

专利CN103903658A公开的技术方案中采用机加工方式，在加热面加工沟槽结构、网槽连通阵列孔和凸起结构等，改变表面结构特性，使加热表面的CHF值提升50％以上。该项技术如果推广到工程实际，可大大提高核电站非能动冷却技术的安全裕度。但在工程应用中，在反应堆压力容器的下封头表面，尤其是在役反应堆的下封头表面加工特殊表面结构的工艺难度大，而且采用特殊结构表面处理后的力学性能有待进一步的评估。另一方面，长期暴露在空气中的压力容器外壁面在运行温度下极易发生氧化，在压力容器外壁面加工制造的孔、槽将可能会被腐蚀消失。

专利CN102303117A公开的技术方案中将Ti粉、Al粉和Nb粉混合烘干后，一次性沉积到金属基板上，再采用三阶段烧结工艺进行真空保温烧结，从而在金属基体上制得TiAl基合金多孔涂层。该技术制备出的TiAl基多孔涂层，厚度及孔隙均匀，涂层坚固，不易脱落，适用于化工、石油、冶金、海水淡化和高温换热等领域的板式或管式换热器。采用粉末高温烧结或电沉积制备多孔涂层的方法，比较适合与尺寸较小的设备，不具备在大尺寸反应堆压力容器下封头外壁面制备涂层的能力。另一方面，该技术中并未提及和考虑低碳钢基表面易氧化的问题。

综上所述，现有的核反应堆压力容器下封头及其表面强化技术仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出具有高耐久复合涂层的核反应堆压力容器下封头及其制备方法。该核反应堆压力容器下封头所采用的复合涂层可以显著提高下封头外壁表面的CHF限值，为提高大功率反应堆IVR的有效性奠定基础。