DE2036545A1 - Fuel particles with layers without property gradients - Google Patents
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Description
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N ϋ Κ Ε ΜN ϋ Κ Ε Μ
Nuklear-Chemie und -Metallurgie Gesellschaft m.b.H.Nuclear Chemistry and Metallurgy Society m.b.H.
Wolfgang b. HanauWolfgang b. Hanau
Brennstoffteilchen mit Schichten ohne Eigenschaftsgradienten.Fuel particles with layers without property gradients.
Brennelemente für Hochtemperatur-Reaktoren enthalten den Brennstoff üblicherweise in Form von beschichteten Partikeln. Es werden dafür kugelförmige Brennstoffteilchen aus Uran- und Thoriumoxid oder -karbid hergestellt, die mit Schichten aus pyrolytischein Kohlenstoff allein oder im Verbund mit Siliziumkarbid umhüllt werden. Der Durchmesser solcher Teilchen liegt zwischen 100 und 1 000 ,u. Die Beschichtung erfolgt üblicherweise in Wirbelbetten durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen. Diese Schichten haben die Aufgabe, den Brennstoff und die während des Abbrandes entstehenden Spaltprodukte in den einzelnen Teilchen selbst zurückzuhalten. Daraus ergeben sich die Forderungen, dass diese Schichten sowohl die Brennelementherstellung überstehen als auch während des Abbrandes keine Beschädigung erleiden.Fuel assemblies for high-temperature reactors contain the fuel usually in the form of coated particles. There are spherical fuel particles made of uranium and Thorium oxide or carbide produced with layers of pyrolytic carbon alone or in combination with silicon carbide be enveloped. The diameter of such particles is between 100 and 1,000, u. The coating is usually carried out in fluidized beds through thermal decomposition of hydrocarbons. The task of these layers is to keep the fuel and the fission products produced during the burn-up in the to hold back individual particles themselves. This results in the requirements that these layers are used both in the production of fuel assemblies survive and suffer no damage during the burn-off.
Es hat sich erwiesen, dass besonders die Dosis der schnellen Neutronen einen erheblichen Einfluss auf die Schichten aus Pyrokohlenstoff hat; der Pyrokohlenstoff schrumpft, der Brennstoff kern dehnt sich aus und es treten Spannungen auf, die zur Rissbildung in der Schicht führen. Man hat versucht, durch Aufbringen von aufeinanderfolgenden Einzelschichten verschiedener Eigenschaften diese Schwierigkeit zu überwinden. So sind z.B. Karbidteilchen mit zwei Schichten, Oxidteilchen mit drei Schichten aus pyrolytisohem Kohlenstoff hergestellt worden und Oxidteilchen mit fünf Schichten aus pyrolytisehem Kohlenstoff und Siliziumkarbid (Bickerdicke, Itanson, Vivante, D.P.R. 139, 1963).It has been shown that the dose of fast neutrons in particular has a considerable influence on the layers Has pyrocarbon; the pyrocarbon shrinks, the fuel The core expands and tensions occur, which lead to the formation of cracks in the layer. You tried to get through Applying successive individual layers of different properties to overcome this difficulty. E.g. Two-layer carbide particles, three-layer oxide particles made of pyrolytic carbon and oxide particles with five layers of pyrolytic carbon and silicon carbide (Bickerdicke, Itanson, Vivante, D.P.R. 139, 1963).
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BADBATH
Man hat als nächstes erkannt, dass Pyroköhlenstoffschichten unter Neutronenbeschuss auch ohne-Wechselwirkung mit dem inneren Teil des Partikels brechen, nämlich dann, wenn sie stark anisotrop sind. Durch Modellrechnungen wurde gezeigt, dass in solchen Schichten innere Spannungen auftreten, die zum Bruch führen. (Literatur z.B. J.W. Prados und J.L. Scott, Nuclear Applications Vol. 2 (1966), Seite 402).It was next recognized that pyrocarbon layers were underneath Neutron bombardment even without interaction with the inner part of the particle break, namely when they are strongly anisotropic are. Model calculations have shown that internal stresses occur in such layers, which lead to breakage. (Literature e.g. J.W. Prados and J.L. Scott, Nuclear Applications Vol. 2 (1966), page 402).
Der Grad der Anisotropie der Schichten einer Partikelcharge wird durch den Bacon'sehen Anisotropiefaktor angegeben, der an den Schichten auf Graphitplättchen gemessen wird, die der betreffenden Partikelcharge während der Beschichtung zugemischt waren. Der Anisotropiefaktor wächst mit steigender Anisotropie und ist für isotrope Schichten gleich 1,0. In Bestrahlungstesten hat sich nun gezeigt, dass ein niedriger Bacon'scher Anisotropiefaktor für ein gutes Bestrahlungsverhalten zwar notwendig, aber nicht hinreichend ist, d.h. man findet z.B. unter Partikelsorten mit einem Baconfaktor -'-1,0S und anderen identischen Eigenschaften sowohl solche,The degree of anisotropy of the layers of a batch of particles is indicated by the Bacon's vision anisotropy factor, the is measured on the layers on graphite platelets that are added to the relevant batch of particles during the coating process was. The anisotropy factor increases with increasing anisotropy and is equal to 1.0 for isotropic layers. In Irradiation tests have now shown that a low Baconian anisotropy factor is necessary for good irradiation behavior, but not sufficient, i.e. one finds e.g. among particle types with a Bacon factor -'- 1.0S and other identical properties both those,
22 die bei einer Neutronendosis von 1,2 · 10 noch heil, als auch solche, deren Schichten gerissen sind (Literatur: Bestrahlungsexperiraent im DPR Dounreay). Die daraus sich ergebenden Untersuchungen führten zu der vorliegenden Erfindung, die auf der Erkenntnis beruht, dass die Angabe des mittleren Baconfaktors und anderer über die Schicht gemittelter Eigenschaften zur Charakterisierung der Schichtqualität nicht ausreicht, sondern dass für das Bestrahlungsverhalten die in den Teilchenschichten vorhandenen Eigenschaftsgradienten eine entscheidende Rolle spielen. Diese bisher nicht beachteten Gradienten können nur durch besondere Steuerung des Beschichtungsvorganges unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen vermieden v/erden. Um diese Problematik verständlich zu machen, muss hier auf den Beschiehtungsvorgang näher eingegangen werden. „22 which at a neutron dose of 1.2 · 10 are still healthy than also those whose layers are torn (literature: irradiation experiment in the DPR Dounreay). The resulting Investigations led to the present invention, which is based on the knowledge that the specification of the mean Bacon factor and other properties averaged over the layer is not sufficient to characterize the layer quality, but that the property gradients present in the particle layers are decisive for the irradiation behavior Role-play. These previously neglected gradients can only be achieved through special control of the coating process Avoided under observance of certain boundary conditions. To make this problem understandable to make, the coating process must be discussed in more detail here will. "
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Zur Beschichtung befinden sich die Partikeln in einem Wirbelbett, das im einfachsten Fall aus einem senkrechten, beheizten Rohr mit einem konischen Boden besteht. In die Spitze des Konus mündet die Düse, durch die das zum Wirbeln benötigte Trägergas (Argon, Helium) und das Beschichtungsgas {z.B. Methan, Propylen, Acetylen) eingeblasen werden.Das Kohlenwasserstoffgas wird beim Eintritt in das Bett aufgeheizt und zersetzt sich über mehrere Zwischenschritte zu Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Eigenschaften des auf den Teilchen abgeschiedenen Kohlenstoffs hängen von der Temperatur und von der Menge des angebotenen Kohlenwasserstoffgases ab; die angebotene Gasmenge ergibt sich aus der Konzentration und dem Gesamtgasdurchsatz oder der Strömungsgeschwindigkeit. Bei Konstanthaltung dieser Beschichtungsparameter während'des gesamten Beschichtungsvorganges erhält man zu jedem Beschichtungszeitpunkt eine bestimmte Aufwachsgeschwindigkeit und damit verbunden bestimmte Schichteigenschaften. For coating, the particles are in a fluidized bed, which in the simplest case consists of a vertical, heated bed Consists of a tube with a conical bottom. The nozzle through which the necessary for whirling opens into the tip of the cone Carrier gas (argon, helium) and the coating gas {e.g. Methane, propylene, acetylene) are blown in. The hydrocarbon gas is heated when entering the bed and decomposes to carbon and hydrogen in several intermediate steps. The properties of the carbon deposited on the particles depend on the temperature and the amount of the offered Hydrocarbon gas from; the amount of gas offered results from the concentration and the total gas throughput or the flow rate. If these coating parameters are kept constant During the entire coating process, a certain growth rate is obtained at each time of coating and related specific layer properties.
Es wurde nun erkannt, dass es zwei Ursachen gibt, die währendIt has now been recognized that there are two causes while
• *• *
eines Beschichtungsvorganges Änderungen in Aufwachsgeschwindigkeit und Schichteigenschaften hervorrufen:a coating process changes in the growth rate and create layer properties:
1. Das Beschichtungsgas, das in das Wirbelbett eintritt, zersetzt sich während es das Partikelbett durchströmt, so dass im oberen Teil des Bettes die Beschichtungskonzentration kleiner ist als im unteren Teil. Parallel zu dem Konzentrationsgradienten treten mehr oder weniger starke Temperaturgradienten auf. Aufgrund der an verschiedenen Stellen des Partikelbettes vorliegenden unterschiedlichen Beschichtungsbedingungen treten an diesen Stellen auch unterschiedliche Aufwachsgeschwindigkeiten1. The coating gas entering the fluidized bed decomposes as it flows through the particle bed, so that in the upper part of the bed the coating concentration is smaller than in the lower part. Parallel more or less strong temperature gradients occur in addition to the concentration gradient. Due to the different Different coating conditions present in the particle bed occur at these locations Also set different waxing speeds
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auf und es werden Schichten mit verschiedensten Eigenschaften abgeschieden. Die einzelnen Partikeln durchwandern also je nach Uniwälzgeschwindigkeit die einzelnen Beschichtungszonen und die Gesaratschicht besteht aus einer Folge dünner Einzelschichten unterschiedlicher Eigenschaften. and layers with a wide variety of properties are deposited. The individual particles wander through thus, depending on the universal rolling speed, the individual coating zones and the total layer consists of one Sequence of thin individual layers with different properties.
2. Diesen alternierenden Schwankungen überlagert sich eine gleichraässige, einsinnige Änderung der Eigenschaften über die gesamte Beschichtungszeit. Diese Änderung hat ihre Ursache darin, dass der Teilchendurchraesser und damit die zu beschichtende Oberfläche ständig wächst und dadurch bei konstantem Beschichtungsgasfluss die Aufwachsgeschwindigkeit sinkt. In Abhängigkeit von der Aufwachsgeschwindigkeit ändern sich alle anderen Eigenschaften der Schicht.2. These alternating fluctuations are superimposed by a uniform, one-way change in properties over the entire coating time. This change is due to the fact that the particle diameter and so that the surface to be coated grows continuously and thus the growth rate with a constant coating gas flow sinks. All other properties change depending on the growth rate the shift.
Mit einem von SGAE-Seibersdorf entwickelten Verfahren zur Messung der optischen Anisotropie kann die Ausbildung von Eigenschaft sSchwankungen über die Schichtdicke gezeigt werden. Abbildung 1 zeigt am Beispiel der Beschiehtungscha.rge DO 357 K die alternierenden Schwankungen der Anisotropie bei' gleichbleibender Aufwachsgeschwindigkeit., Abbildung 2 zeigt für die Charge WM 381 die Überlagerung der alternierenden Schwankungen und die einsinnige Änderung der Anisotropie bei fallender Aufwachsgeschwindigkeit. Beide Eigenschaftsgradienten bestimmen neben den über die Schicht gemittelten Werten aller Schicht-eigenschaften das Bestrahlungsverhalten der Partikeln.With a method developed by SGAE-Seibersdorf for measuring the optical anisotropy, the formation of property fluctuations over the layer thickness can be shown. Figure 1 shows the alternating fluctuations of the anisotropy with constant Growth rate., Figure 2 shows the superimposition of the alternating fluctuations for batch WM 381 and the unidirectional change in anisotropy with decreasing growth rate. Determine both property gradients In addition to the values of all layer properties averaged over the layer, the irradiation behavior of the particles.
Für die Herstellung von gradientenfreien Schichten können folgende Bedingungen genannt werden:For the production of gradient-free layers you can the following conditions are mentioned:
a) Die Aufwaehsgesehwindigkeit muss während der gesamten Beschichtungszeit konstant- sein, (siehe Abbildung 1),a) The wake-up speed must be used during the entire Coating time must be constant (see Figure 1),
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b) die Aufwachsgeschwindigkeit muss in allen Teilen des Partikelbettes gleich gross sein.b) the wake-up speed must be in all parts of the Particle bed must be the same size.
Die Einhaltung der Bedingung 1 lässt sich z.B. in einfacher Weise dadurch erreichen, dass entweder laufend Partikeln abgezogen werden und so die gesarate Partikeloberfläche mit der Beschichtungszeit konstant gehalten wird, oder aber der Beschichtungsgasfluss kontinuierlich der wachsenden Partikeloberfläche angepasst wird. Es ergibt sich für den letzteren Fall dann ein Kurvenverlauf, wie er in Abbildung 1 dargestellt ist.Compliance with condition 1 can be made easier, for example Achieve this way that either continuously removed particles and so the total particle surface is kept constant with the coating time, or the coating gas flow is continuously adapted to the growing particle surface. It arises for the latter Then a curve like the one shown in Figure 1.
Die zweite Bedingung fordert, dass die Aufwachsgeschwindigkeit in allen Teilen des Partikelbettes gleich gross ist, so dass alternierende Schwankungen (siehe Abbildung 1 und 2) vermieden werden. Diese Forderung lässt sich in einem konisch zulaufenden Bett, das von einer Düse angeströmt wird,nur dann erreichen, wenn das Verhältnis von Arbeitsrohrquerschnitt zum Düsenquerschnitt ^. 150 ist und zugleich das Verhältnis des Volumens der fluidisierten Partikeln zum Volumen der charakteristischen Beschichtungszone^S 1 ist. Die charakteristische Beschichtungszone ist hier definiert als ein Volumen, in dem die Konzentration an Beschichtungsgas annähernd konstant ist. In diesem Falle entspricht das Volumen des gesamten Partikelbettes der charakteristischen Beschichtungszone (Abbildung 3).The second condition requires that the growth rate is the same in all parts of the particle bed, so that alternating fluctuations (see Figure 1 and 2) can be avoided. This requirement can be translated into a tapered Only reach the bed against which a nozzle flows if the ratio of the working pipe cross-section to the nozzle cross-section ^. 150 is and at the same time the ratio of volume of the fluidized particles to the volume of the characteristic coating zone ^ S 1. The characteristic coating zone is defined here as a volume in which the concentration of coating gas is approximately constant. In this case corresponds to the volume of the entire particle bed of the characteristic coating zone (Figure 3).
Bei grösseren Betten und dementsprechend grösseren Volumina fluidisierter Partikeln können zwecks Vermeidung von unterschiedlichen Beschichtungszonen verschiedene Wege beschritten werden.With larger beds and correspondingly larger volumes fluidized particles can be used in different ways in order to avoid different coating zones will.
Eine Möglichkeit liegt in der Benutzung eines Gasführungsrohres, wodurch die Beschichtung auf die charakteristische Zone begrenzt wird.One possibility is to use a gas guide tube, which limits the coating to the characteristic zone will.
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Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Anströmbodens mit Mehrfachdüsen, in diesem Falle wird die charakteristische Beschiehtungszone erweitert.Another possibility is to use an inflow base with multiple nozzles, in this case the characteristic coating zone is expanded.
Für alle diese Geometrien gibt es jeweils konzentrationsabhängige Grenzaufwachsgeschwindigkeiten, die nicht überschritten werden dürfen, wenn gradientenfreie Schichten erzielt werden sollen.For all of these geometries there are concentration-dependent limit growth rates that are not exceeded if gradient-free layers are to be achieved.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |