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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Beschichtung von Kernbrenn-
und/oder Kernbrutstoff-Partikeln mit Kohlenstoff im Wirbelbett durch thermische
Zersetzung von Kohlenwasserstoff, gegebenenfalls bei Anwesenheit von inertem Trägergas.
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Als Brenn- und Brutstoffe für Kernreaktoren werden in steigendem Maße
beschichtete Partikeln - sogenannte coated particles - eingesetzt. Diese Partikeln,
meist handelt es sich dabei um Kügelchen mit einem Durchmesser zwischen 100 und
1000 #t, werden zur Verhinderung des radioaktiven Spaltgasaustrittes mit dichten,
festhaftenden, keramischen, metallischen Werkstoffen oder - besonders vorteilhaft
- mit pyrolytischem Kohlenstoff umhüllt, d. h. beschichtet. Die Beschichtung mit
Kohlenstoff erfolgt in den meisten Fällen im Wirbelbett mit einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen
(z. B. Methan, Propan, Acetylen) und einem Trägergas, (z. B. Edelgas) und wird bei
Temperaturen zwischen 1200 und 2000°C durchgeführt.
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Dieses bisher geübte Verfahren hat jedoch eine Reihe von zum Teil
grundsätzlichen Nachteilen: 1. Zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes sind große
Mengen an Trägergas erforderlich. Das ist von erheblichem Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens.
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2. Der Gesamtdruck im Reaktionsraum ist stets größer als der Atmosphärendruck,
d. h., er beträgt immer mehr als 760 mm Quecksilbersäule. Auch dieses ist von Nachteil,
da die Qualität der Schicht sowohl vom Gesamtdruck als auch vom Partialdruck des
Kohlenwasserstoffgases abhängt.
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3. Mit der bisher geübten Verfahrensweise erhält man pyrolytische
Kohlenstoffschichten, die erhebliche Gaseinschlüsse (herrührend vom Crack Prozeß)
enthalten.
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4. Die so hergestellten Schichten enthalten stets auch einen beträchtlichen
Anteil Ruß.
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Beides ist unerwünscht, da der Gasgehalt der Schicht beim Betrieb
des Reaktors langsam entweicht, so daß eine poröse Schicht zurückbleibt, die nur
ein geringes Rückhaltevermögen für Spaltgase besitzt. Hinzu kommt, daß der Bußanteil
in der Schicht unter dem Einfluß der Bestrahlung stärker schrumpft als der pyrolitische
Kohlenstoff, so daß auch in diesem Fall eine poröse Schicht zurückbleibt. Darüber
hinaus bringt das bisherige Verfahren noch andere verfahrenstechnische Schwierigkeiten
mit sich: 5. Größere Methangaskonzentrationen und höhere Abscheidungsgeschwindigkeiten
führen zu Bußablagerungen in der Apparatur.
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6. Die Abscheidung einer an sich gewünschten Schicht mit grobkörniger
Struktur bereitet in der Reaktionsführung erhebliche Schwierigkeiten.
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Es wurde nun gefunden, daß die genannten Schwierigkeiten dadurch überwunden
werden können, daß die Beschichtung im Wirbelbett durch thermische Zersetzung von
Kohlenwasserstoffgas, gegebenenfalls bei Anwesenheit von inertem Trägergas, bei
einem Gesamtdruck von 10 bis 650 Torr erfolgt.
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Es ist an sich bekannt (britische Patentschrift 943 719), eine Beschichtung
von Kernbrennstoffteilchen bei 1 bis 200 Torr in einem Drehrohrofen vorzunehmen.
Eine derartige Beschichtung in einem Drehrohrofen hat den Nachteil, daß die sich
auf den Partikeln bildende Oberflächenschicht ungleichmäßig ist, insbesondere ist
nicht gewährleistet, daß alle Teilchen eine Oberflächenschicht mit einer gleichmäßigen
Dicke besitzen.
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In einem Wirbelbett ist die Isotropie der Oberflächenschicht eindeutig
gewährleistet, da die Teilchen von dem Kohlenwasserstoffgas bzw. Trägergas völlig
gleichmäßig durchströmt werden. Außerdem treten beim kontinuierlichen Abpumpen bei
einem Drehrohrofen Abdichtungsprobleme auf.
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Die Beschichtung kann sowohl in Wirbelbetten mit konischen Düsenböden
als auch über Böden aus Fritten, Sieben oder Glockenböden durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet folgende Vorteile: 1. Die erforderliche
Menge an Trägergas wird erheblich reduziert.
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2. Als Folge des verminderten Druckes enthält die Schicht aus pyrolytischem
Kohlenstoff keine nennenswerte Gaseinschlüsse.
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3. Bußablagerungen in der Schicht treten praktisch nicht mehr auf.
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4. Das Rückhaltevermögen für Spaltgase wird erheblich besser.
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5. Die Einstellung bestimmter Schichtstrukturen -auch solche mit grobkörnigem
Aufbau - ist ohne größere Schwierigkeiten möglich.
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6. Der Bußanfall im Reaktionsraum wird erheblich reduziert, so daß
keine Störungen während der Beschichtung auftreten.
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Folgende Beispiele sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutern. -Beispiel 1 (Vergleich beider Verfahren bei gleicher Gaszusammensetzung
und gleicher Beschichtungstemperatur) 1 kg UC2-Partikeln wurde im Wirbelbett bei
einem Gesamtdruck von 200 mm Hg mit einer Argon-Methan-Mischung von 65 °/o Argon
und 35
% Methan bei einer Temperatur von 1800°C so lange beschichtet, bis
die Schichtdicke an pyrolytischem Kohlenstoff 100 #t betrug. Die Untersuchung der
Schicht ergab
a) Dichte der Schicht..........................................
1,98 g/ccm b) Druckfestigkeit
............................................
2,4 kg/Partikel e) Oberflächenverunreinigung
...................................
2 - 10-3 °/g U vom Gesamt-U-Gehalt
| d) Xenon133_Freisetzung .......................................
freigesetztes Xe - 6.10-g |
| Gesamtmenge Xe |
e) Gasgehalt der Schicht
...................................... 4 ppm Hz
und 20 ppm CO Demgegenüber wurden beim Normaldruckverfahren unter gleichen Bedingungen
(Gaszusammensetzung, Temperatur) folgende Werte für die Schicht erhalten: a) Dichte
der Schicht.......................................... 1,5 g/ccm b) Druckfestigkeit
............................................ 1,4 kg/Partikel c) Oberflächenverunreinigung...................................
8,3 .10-3 0/g U vom Gesamt-U-Gehalt
| d) Xenon133-Freisetzung .......................................
freigesetztes Xe - 1,4 . 10-4 |
| Gesamtmenge Xe |
e) Gasgehalt der Schicht
...................................... 30 ppm HZ
und 100 ppm CO Man erkennt daraus, daß die Werte für die Dichte der Schicht, die
Druckfestigkeit, die Oberflächenverunreinigung sowie für die Xenon-Freisetzungsrate
und den Gasgehalt beim Beschichten unter vermindertem Druck erheblich besser sind
als diejenigen, die beim Normaldruckverfahren erhalten wurden.
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Beispiel 2 (Vergleich beider Verfahren bei der Herstellung einer Schicht
mit gleicher kolumnarer [grobkörniger] Struktur) 1 kg ThC2/UC2 (Mischkristall aus
82 °/o Thoriumcarbid und 18 °/Q Urancarbid) Partikeln wurde im Wirbelbett bei einem
Gesamtdruck von 100 mm Hg bei 1800°C so lange beschichtet, bis die Schichtdicke
100 #t betrug. Der Gesamtgasverbrauch betrug 0,91m3 Argon und 1,2 m3 Methan.
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Die Untersuchung der Schicht ergab: a) Struktur ..................................................
kolumnar(grobkörnig) b) Dichte der Schicht..........................................
2,04 g/ccm c) Druckfestigkeit
............................................
2,7 kg/Partikel d) Oberflächenverunreinigung...................................
2,6 - 10-3 % des Gesamt-Urans
| e) Xenon-Freisetzungsrate .....................................
freigesetztes Xe = 1,6-10-5 |
| Gesamtmenge Xe |
f) Gasgehalt der Schicht
...................................... 4 ppm H2
und 15 ppm CO Demgegenüber wurden beim Normaldruckverfahren zur Erzeugung einer
Schicht mit gleicher Struktur bei gleicher Temperatur ein Gasverbrauch ermittelt
von: 24,8 m3 Argon und 1,26 m3 Methan Die Untersuchung dieser Schicht ergab: a)
Struktur .................................................. kolumnar(grobkörnig)
b) Dichte der Schicht
.......................................... 2,0 g/ecm
c) Druckfestigkeit ............................................ 2,3 kg/Partikel
d) Oberflächenverunreinigung................................... 10,4-10-3 0/g U
vom Gesamt-U-Gehalt
| e) Xenon-Freisetzungsrate .....................................
freigesetztes Xe - 19.10-4 |
| Gesamtmenge Xe |
f) Gasgehalt der Schicht
...................................... 8 ppm H2
und 60 ppm CO Aus Beispiel 2 ist zu erkennen, daß man bei der Erzeugung gleicher
Schichtstrukturen im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens unter vermindertem Druck
erhebliche Mengen des Trägergases einspart. (Glasverbrauch 0,91 m3 Argon beim erfindungsgemäßen
Verfahren und 24,8 m3 Argon beim Normaldruckverfahren.) Weiterhin ist zu sehen,
daß auch die Werte für die Dichte, für die Druckfestigkeit usw. beim erfindungsgemäßen
Verfahren besser sind als beim bisher geübten Normaldruckverfahren.