DE2062794C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von Brennstoffteilchen für Kernreaktoren - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von Brennstoffteilchen für KernreaktorenInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Brennstoffteilchen
od. dgl. fiir Kernreaktoren, deren Größe zwischen μηι und 1000 μπι lieft, in einem Wirbelschich.ofen.
wobei ein Haufwerk aus Brennstoffteilchen zur Bildung einer Wirbelschicht von einem von unten in den Wirbelschichtofen
und zu einem Teil zusätzlich von der Seite tangential in die Wirbelschicht eingeleiteten Trä- 5«
f ergas. wie Argon od. dgl., und einem von unten in den
Wirbelschichtofen eingeleiteten Beschichtungsgas, wie Kohlenwasserstoff od. dgl., durchströmt wird.
In dieser Weise hergestellte beschichtete Brennstoffteilchen
werden insbesondere in gasgekühlten Hochtemp..· .1;; rreaktoren verwtndet. Die Beschichtung der
Brennstoflteilchen erfolgt dabei durch pyrolytische Zersetzung von Kohlenwasserstoffgasen und/oder
Chlormethylsilanen bei hohen Temperaluren zwischen und 2iO0*C. Die Beschichtung der Brennstoffteil- &o
chen dient dazu, den Austritt der bei der Kernspaltung entstehenden gasförmigen und festen Spaltprodukte in
die Umgebung zu verhindern. Da eine Kugelschale von gleichmäßiger Schichtdicke die besten Festigkeitswerte
besitzt, ist man bestrebt, die Beschichtung auf die kugelförmigen oder nahezu kugelförmigen Brennstoffteilchen
möglichst gleichmäßig aufzubringen.
Es ist bekannt. Beschichtungen siuf Brennstoffteilchen
in Wirbelschichtofen aufzubringen. So ist es für BrennstoiTteilchen von sehr geringer Größe aus der
JJS-PS 3 251 337 bekannt, die Brennstoff teilchen in
einer in einem Reaktionsrohr erzeugten Zirkulationsströmung zu behandeln Des weiteren ist aus der BE-PS
668 381 bekannt, die Brennstoffteilchen innerhalb eines
zur Austragung der Teilchen rotierend angetriebenen, nach oben offenen kegelförmigen Reaktionsgefäßes zu
beschichten Diese Vorrichtung ist aber bei einer Beschichtung der Teilchen, bei der hohe Reaktionstemperaturen
erforderlich sind, nicht geeignet
Auch ist ein Wirbelschichtofen bekannt bei dem das Reaktionsgefäß einen konusförmigen ausgebildeten un
teren Teil besitzt, in den zentral eine Düse für das zur Beschichtung verwendete Beschichtungsgas und eine
koaxial dazu angeordnete Ringdüse zur Einführung des zur Erzeugung der Wirbelschicht zusätzlich erforderli
chen Trägergases einmündet (DT-OS 1 808 550). Das hat den Vorteil, daß es durch Steuerung der Gaszuführung
möglich ist. innerhalb der Wirbelschicht entweder die Brennstoffteilchen in einem zentralen Gasstrahl
oder durch Bildung von Gasblasen emporzuschleudern. Dadu-ch werden günstige Voraussetzungen für die Beschichtung
geschaffen, in beiden Fällen wandern jedoch die Brennstoffteilchen in sogenannten Schiebesthichten.
in denen die Brennstoffteilchen ihie Lage relativ zueine ndei· kaum verändern, an der Peripherie der
Wirbelschicht wieder zurück. Die Beschichtung erfolgt dabei sowohl im Zentrum des kegelförmigen Teils des
Keaktionsrohres als auch in den Schiebeschichten. Doch hat sich gezeigt, daß die Beschichtungsrate nach
außen hin stark abnimmt. Besonders nachteil-g ist je
doch, daß die Brennstofftcilehen infolge ihrer im Ver
hälinis zueinander sich praktisch nur unwesentlich ver
ändernden Lage in den Schtebeschichten ungleichförmig beschichtet werden und somit das gewünschte Ziel
nicht oder nicht in ausreichendem Maße erreicht wird. Hinzu kommt, daß wegen der im allgemeinen langen
Verweilzeit der Brennstoffteilchen in den Schiebe schichten die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in de. zentralen
Beschichtungszone. in der die Beschichtung gleichmäßig erfolgt, gering ist.
Aufgabe der Erfindung ist es. die Bildung von Schiebeschichten zu verhindern oder sie auf ein solches Maß
zurückzuführen, daß sie für die Beschichtung unschädlich sind. Die Schiebeschichten sollen aufgelockert und
durchmischt werden, und die Zirkulation der Brennstoffteilchen und mithin die Aufenthaltswahrscheinlichkeit
in der zentralen Beschichtungszone soll erhöht werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß das von der Seite in die Wirbelschicht eingeleitete Trägergas so in dieselbe eingeführt wird, daß dem äußeren
Randbereich der Wirbelschicht eine zusätzliche schräg nach unten gerichtete Bewegung erteilt wird.
Zur Herstellung von Granulaten ist zwar aus der DT-OS I 942 243 ein Reaktionsbehälter bekannt, bei
dem die wandnahen Zonen der Wirbelschicht durch einen im Bereich der Düse tangential aufwärts geführten
Trägergasstrom aufgelockert werden. Durch diese Trägergasströinung lassen sich die bei der Beschichtung
von Brennstoffteilchen unerwünschten Schiebeschichten nur· unvollkommen vermeiden. Zur Erzeugung
von Wirbelschichten ist zwar auch bereits bekanntgeworden, den gesamten TrägergasMrom in die
Wirbelschicht tangential einzuführen (DT-AS I 071 056), jedoch müssen auch in diesem Falle Zonen
in Kauf genommen werden, in denen sich die Teilchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, so
aaß die gewünschte gleichmäßige Beschichtung der Brennstofheflchen nicht zu erreichen ist.
Die durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung erziehe Drallbewegung der Brennstoffveilchen innerhalb
der Wirbelschicht wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch unterstützt, daß mindestens ein Teil
des von unten in die Wirbelschicht eingeleiteten Trägergases spiralförmig geführt wird.
Auf besondere einfache und zweckmäßige Weise läßt sich das Verfahren gemäß der Erfindung in einem
Wirbelschichtofen, bei dem am Umfang eines konisch ausgebildeten unteren Teils und/oder am oberen zylindrischen
Teil eines Reaktiongefäßes eines Wirbelschichtofens tangential angeordnete, mit einer Zuführung
für das Trägergas verbundene Bohrungen, Schlitze od. dg!, vorgesehen 'ind, dadurch durchführen, daß
die Bohrungen, Schlitze od. dgl. schräg nach unten gerichtet sind. Hierdurch wird eine besonders gute Lokkerung
und Durchmischung der vorzugsweise am Rande sich bildenden Schiebeschichten erreicht, da sich in
folge des schräg nach unten in die Wirbelschicht eingeführten Trägergases die Zirkulation der Partikeln erheblich
erhöht Die Verweilzeit der Partikeln in etwa *5
igen noch verbleibenden Schiebeschichtresten verringert sich, während die Aufenthaltswahlscheinlichkeit in
der zentralen Beschichtungs/one erheblich erhöht wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Er
findung besteht darin, daß die in an sich bekannter Weise in den konischen Teil des Reaktionsgefäßes zentral
einmündende Düse für das Trägergas einen oder mehrere spiralförmige Zuführungskanäle aufweist. Dadurch
wird eine gute Durchmischung in der zentralen Beschichtungszone und in den angrenzenden Zonen erreicht,
so daß die Ausdehnung der Schiebeschichten verringert und somit die Gleichförmigkeit der Beschichtung
erhöht wird. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, diese Maßnahme zugleich mit der Zuführung
von Trägergas durch die in der Außenwandung t s Reaktiongefäßes angeordneten, schräg nach unten
gerichteten Bohrungen, Schlitze od. dgl .tnzuwenden.
Dabei kann die Drehrichtung des durch die in den Außenwandungvn des Reaktionsgefäßes angeordneten
Bohrungen. Schlitze od. dgl. zugeführten Teiles des Trägergases und die Drehrichtung des im unteren konischen
Teils des Reaktionsgefäßes durch die Düse zugefühnen Trägergases gleichläufig oder auch gegenläufig
gerichtet sein.
Ausführungsbrispiel
Nimmt man die Polyedrität, d. h. die Abweichung von einer Kugelform der beschichteteil Brennsioffteilchen,
als Ma3 für die Vorzüge der erfindungsgemäßen Maßnahmen, so zeigte sich, daß unter sonst gleichen Bedingungen
ohne Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung die Größe der Polyedrität der beschichteten
Brennstoffteilchen 15,4%. dagegen bei Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung 7.9% betrug. Durch
die Erfindung wird somit ein erheblich günstigeres Ergebnis erzielt als mittels der Maßnahmen nach dem bisherigen
Stande der Technik.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in der
Zeichnung schematisch wiedergegeben. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch den konischen Teil
des Reaktiongefäßes eines Wirbelschichtofens,
F i g. 2 einen Querschnitt durch den in F i g. 1 dargestellten
Teii des Reaktionsgefäßes nach der Schnittlinie AA,
F i g. 3 einen Längsschnitt durch die im unteren Teil
des Reaktionsgefäßes angeordnete Düse,
F i g. 4 einen Querschnitt durch die Düse nach F i g. i
und
F1 g. 5 eine Seitenansicht der Düse nach F i g. 3.
Wie aus F i g. 1 und F i g. 2 hervorgeht, sind bei der
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung im unteren konischen Teil 1 des Reaktionsgefäßes
in der Wandung schräg nach unten und tangential einmündende Bohrungen 2 vorgesehen,
durch die 7usätzlich Trägergas in den Innenraum des Reaktionsgefäßes mit der Wirkung einströmt, daß die
an der Wandung des konischen Teils 1 des Reaktionsgefäßes sich während des Betriebes in der Wirbelschicht
bildenden Schiebeschichien weitgehend aufgelöst
werden. Daneben oder außerdem ist in der in den unteren konischen Teil t des Reaktionsgefäßes durch
eine Öffnung 3 einmündenden Düse 4 — wie am besten aus F i g. 5 hervorgeht — ein spiralförmig geführter
Zufuhrungskanal 5 für das Trägergas vorgesehen, der konzentrisch zu einer Zuführung 6 für das Beschichtungsund
Verdünnungsgas angeordnet ist. Dadurch wird insbesondere dem mittleren Teil der Wirbelschicht
und den daran angrenzenden Teilen der Schiebeschichten, die sich aus den Brennstoffteilchen, dem
Beschichtungsgas und dem Trägergas bilden, eine Drallbewegung erteilt, so daß auch dadurch die Schiebeschichten
mindestens zum Teil durchwirbelt, aufgelockert und somit reduziert werden. Diese Maßnahmen
sind zugleich anwendbar.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Beschichten von Brennstoff teilchen
od. dgl. for Kernreaktoren, deren Größe zwi- S
sehen 100 um und 1000 μιη liegt, in einem Wirbelschichtofen,
wobei ein Haufwerk aus Brennstoffteil-Φιεη
zur Bildung einer Wirbelschicht von einem voo unten m den Wirbelschichtofen und zu einem
Teil zusätzlich von der Seite tangential in die Wirbelschicht eingeleiteten Trägergas, wie Argon
od. dgl., und einem voijjjnten in den Wirbelschichtofen
eingeleiteten Beschichtungsgas, wie Kohlenwasserstoff
oddgL, durchströmt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das von der Seite in die
Wirbelschicht eingeleitete Trägergas so in dieselbe eingeführt wird, daß dem äußeren Randbereich der
Wirbelschicht eine zusätzliche schräg nach unten gerichtete Bewegung erteilt wird
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Teil des von unten in die Wirbelschicht eingeleiteten Trägergases spiralförmig
geführt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2. wobei am Umfang
eines Konisch ausgebildeten unteren Teils und/oder am oberen zylindrischen Teil eines Reaktionsgefäßes
eines Wirbelschichtofens tangential angeordnete, mit einer Zuführung für das Ti"ägergas verbundene
Bohrungen, Schlitze od. dgl. vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen. Schlitze
od. dgl. (2) schräg nach unten gerichtet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet,
daß die in an sich bekannter Weise in den konischen Teil (1) des Reaktionsgefäßes zentral einmündende
Düse (4) einen oder mehrere spiralförmige Zufühnmgskanäle (5) für das Trägergas aufweiv..
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