DE2102438A1 - Fluid bed pyrolytic carbon coating - in bed with reaction gas nozzle ringed by carrier gas nozzles - Google Patents

Fluid bed pyrolytic carbon coating - in bed with reaction gas nozzle ringed by carrier gas nozzles

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Abstract

Spherical atomic fuel particles are pyrolytically coated with a uniform C-layer, in which the coating gas is fed from nozzles in the floor ringed by carrier gas injection holes. The coating gas consits of acetylene, methane or propylene for whic the carrier gas may be Ar or He. Proper setting of the various gas feed rates through the individual nozzles and holes results in uniform gaps between particles in fluid bed and uniform coating gas concn.

Description

Verfahren zur Herstollung von kungelförmigen beschichteten Kernbrennstoffteilchen.Process for the production of spherical coated nuclear fuel particles.

Üblicherwieise enthalten Brernelement für Hochtemparatur-Reaktoron der Brennstoff in Form von beschichteten particeln. nie Partikeln bestehen aus einem kugelförmigen Kern, der sich aus uran- und/oder Thoriumcarbid oder -oxid zusammensetzt, und Schichten aus pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff allein oder im Verbund mit Siliziumearbid. Der Gesamtdurohmessor solcher Teilchen liegt zwiselten 400 und 1 200 /u, wobei der Kerndurchmesser zwischen 100 und 600 »1 liegt. Die Schichten aus pyrolytischem Kohlenstoff allein oder im Verbind mit Siliziumcarbid haben eine Dicke von zusommen 120 bis 250 /u.Usually contain fuel elements for high-temperature reactors the fuel in the form of coated particles. never consist of a particle spherical core composed of uranium and / or thorium carbide or oxide, and layers of pyrolytically deposited carbon alone or as a composite with silicon carbide. The total duration of such particles is between 400 and 1,200 / u, the core diameter being between 100 and 600 »1. The layers of pyrolytic carbon alone or in combination with silicon carbide have one Thickness from 120 to 250 / u.

Beim Abscheiden solchor Schicbten in grösseren Chargen zeigt sich immer wiedex, dass die ca. 106 Partikeln in einer Beschichtungscharge ungleichmässig boschichtet werden. Die Ungleichmässigkeit bzieht sich auf die Dicke der Schicht von partikel zu partikel und auf die Dicke der Schicht an ein und demselben Partikel.When such layers are deposited in larger batches, it becomes apparent always wiedex that the approx. 106 particles in a coating batch are uneven be coated. The unevenness is related to the thickness of the layer from particle to particle and on the thickness of the layer on one and the same particle.

Letztere Ungleichmässigkeit in den Schiohtdicken an ein und demselben partikel führt zu einer unrunden Form. Die Unrundhoit wird als Polygonität oder polyedrität bezeichnet.The latter unevenness in the thickness of the layers on one and the same particle leads to an out-of-round shape. The out-of-roundness is called a polygon or called polyhedral.

Die Ursache für die Polygonität der Partikeln bei der Beschichtung durch Pyrolyse von Kohlenwasseratoff liegt in der unvollkommenen, d.h. entarteten wirbelschicht.The cause of the polygonity of the particles during the coating by pyrolysis of hydrocarbons lies in the imperfect, i.e. degenerate fluidized bed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesseruilg der Wirbelschicht, d.h. der bewegung der Teilchen unter Einfluss der Gasströmung zu schaffen.The invention is based on the object of improving the fluidized bed, i.e. the movement of the particles under the influence of the gas flow.

Erfindungsgemäss wird die Lösung dieser Aufgabe dadurch erreicht, dass das Dcschichtungsgas aus einer oder mehreren Diisen in deni Boden des Wirbelbettes austritt und die Teilchen durch Trägergas,das aus Bohrungen, die konzentrisch um die Diisen angeordnet sind, in dem Wirbelbett so fluidisiert werden, dass das Zwischenraumvolumen und die darin herrschende j3eschi chtungskonzentration während des gesamten I3esc11ichtungsvorganges konstant sind. Hierdurch wird eine zeitliche und örtliche Konstanz der fleschichtungsgaskonzentration erreicht, so dass nichtpolygone, (1. h. kugelförmige Teilchen ohne tangentiale Eigonschaftsgradionten entstehen.According to the invention, this object is achieved by that the stratification gas from one or more nozzles into the bottom of the fluidized bed exits and the particles are carried by carrier gas that comes out of bores that are concentric around the nozzles are arranged to be fluidized in the fluidized bed so that the space volume and the concentration of layers in it during the entire insulation process are constant. This ensures a temporal and spatial constancy of the stratification gas concentration reached so that non-polygons, (1. i.e. spherical particles without tangential property gradionts develop.

Unterschiedliche Schichtdicken an ein und demselben Teilchen, die zur Unrundheit führen, sind Folge wechselnder AufwaehsgesclIwindigkeit. Da die Aufwachsgeschwindigkeit - wie allgemein bekannt ist -Dichte und Anisotropie des pyrolytischen Kohlenstoffs, der z.n.Different layer thicknesses on one and the same particle that lead to out-of-roundness, are the result of changing expansion speed. As the wake up speed - as is well known - density and anisotropy of pyrolytic carbon, the z.n.

durch Pyrolyse von CH4 auf fluidisierten partikeln abgeschieden wird, in der Weise beeinflusst, dass niedrige Aufwachsgeschwindigkeiten und ungleichmässige Zwischenvolllmina zu hohen Dichtet und hohen Anisotropie-Werten führen, ergeben sich mit der Unrundheit tangentiale Eigenschaftsgradienten. Mit einem von SGEA Seibersdorf entwickelten Verfahren zur Messung der optischen Anisotropie kann die Ausbildung dieser Eigenschaftsgradienten in tangentialer und radialer Richtung gezeigt werden.is deposited by pyrolysis of CH4 on fluidized particles, Affected in such a way that slow and uneven growth rates Intermediate solid leads to high density and high anisotropy values property gradients tangential to the ovality. With one from SGEA Seibersdorf developed method for measuring the optical anisotropy can the training these property gradients are shown in tangential and radial directions.

Abbildung 1 zeigt ein unregelmassig beschichtetes Brennstoffteileilen mit radialen und tangentialen Anisotropiegradienten.Figure 1 shows an irregularly coated fuel component with radial and tangential anisotropy gradients.

In der Abbildung sind Beschichtungsgasflass (I) und Beschichtungsgasangebot (II) bezogen auf die gesamte rartikeloberfläche gegen die jeweilige Schichtdicke aufgetragen. nas abfallende Beschiehtungsgasangebot hat eine fallende Aufwachsgeschwindigkeit zur Folge, die den radial ansteigenden Anisotropieverlauf, z.B.The illustration shows the coating gas bottle (I) and the coating gas supply (II) based on the total article surface against the respective Layer thickness applied. nas falling coating gas supply has a falling supply The growth rate resulting in the radially increasing anisotropy curve, e.g.

an der Stelle a,orklärt. In tangentialer Richtung ergibt sich von b nach a ein ansteigender Auisotropioverlauf (Kurven IlI).at point a, clarifies. In the tangential direction results from b after a an increasing Auisotropio curve (curves III).

Dichte- und Aniaotropic-Gradionten führon währoud der Nestrahlung zu zusätzlichen Spannungen und können Ursache für das Reissen der Schicht sein.Density and aniaotropic gradions during the course of the radiation create additional tension and can cause the layer to crack.

nnlland der folgenden Beispiele werden Verschiedene Verfahren er-Läutert, mit denen ein verbessertes Wirbelverhalten erreicht wird und mit douon infolgedesson Brcnnstoffteilchen mit Schichten ohne tangentiale Figenschaftsgradienten hergestellt werden können.In the following examples various methods are explained, with which an improved vortex behavior is achieved and with douon as a result Fuel particles produced with layers without tangential property gradients can be.

Beispiel 1 In oinem zylindrischen Arbeftsrohr von 130 mm Durchmesser, das nach unten von einem Dreifach-Düsenkonus 1 - wie in Abbildung 2 dargestellt - abgeschlossen wird, werden 3 kg (U,Th)02-Kerne der Siebfraktion 354 - 420 /u beschichtet. Das Besuhichtungsgas, Z.B. Methan, propylen, Acetylen, tritt durch drei Düsen 2,3,4 in das Bett ein. Trägergas, 2.13. Argon oder Helium, zur Verwirbelung der Partikeln gelangt alls einer Auzahl von nicht, dargestellten Bohrungen, die für jede Düse getrennt angesteuert werden und die ringförmig um die Itauptdü.sen angeordnet sind, in das Bett ein. Mit dieser Anordliung gelingt es, durch geeignete Steuerung der Gasmengen die partikeln so zu flnidisieren, dass das Bett während der Beschichtung gleichmässig aufgeweitet ist, die Partikeln alle in einer wirbelnden Bewegung gehalten werden und das Besohiohtougsgas gleichmässig vertcilt wird, so dass keine nennenswerien örtliehen und zeitlighen Konzentrutions gradienten auftreten.Example 1 In a cylindrical working tube of 130 mm diameter, the down from a triple nozzle cone 1 - as shown in Figure 2 - is completed, 3 kg (U, Th) 02 cores of the sieve fraction 354-420 / u are coated. The sedation gas, e.g. methane, propylene, acetylene, passes through three nozzles 2,3,4 into bed. Carrier gas, 2.13. Argon or helium to swirl the particles All a number of holes, not shown, arrive for each nozzle controlled separately and arranged in a ring around the main nozzles, into bed. With this Anordliung it is possible by suitable control of the Amounts of gas to flnidize the particles so that the bed during coating is widened evenly, the particles are all held in a whirling motion and the Besohiohtougsgas is evenly distributed so that none are worth mentioning local and temporal concentration gradients occur.

örtliche Konzeptrationsgradienten, die zu polygonen Partikeln mit tangentialen Eigonschaftagradienten führen, werden also dadurch vermieden, dass das Zwischentaumvolumen und die in diesel herrschende Beschichtungsgaskonzentration konstant gehalten werden Dies geschieht mittels des beschricbenen Gascinlaßsystems und mittels variabler Gasströme Während der Beschichtung. Hierdurch können z.B. partikeln mit 70 /u porös er Schicht, 30 Xu mittoldichter isotroper Zwischenschicht und 80 u dichter isotroper Schicht rund, d.h. ohne nenne@swerte tangentialé Rigenschaftsgradicaton herge stellt werden.local conception gradients leading to polygonal particles with lead tangential property gradient, are thus avoided that the interdental volume and the coating gas concentration in the diesel This is done by means of the gas inlet system described and by means of variable gas flows during the coating. In this way, e.g. particles with a 70 / u porous layer, 30 xu medium-density isotropic intermediate layer and 80 u thick isotropic layer round, i.e. without any tangential rigidity gradation getting produced.

Beispiel 2 In einem zylindrischen Arbeitsrohr von 130 mm Durchmesser, das nach unten von einem Konus mit Düsenboden - wie er in den beiliegenden Abbildungen zu selben ist (Abb. 3, 4 und 5) - abgeschlossen wird, werden 3 kg (U.Th) 02 -Partikoln der Siebfraktion 354 - 420 µ beschichtet. Das Beschichtuugsgas tritt durch eine zentrale Diese 5 aus Molybdän in das ett ein. Trägergas dritt aus einer ringförmigen Öffnung 6 um die Zentraldiise und zusätzlich über eine Anzahl von Bohrungen 7 verschiedener Starke, die über den konischen Graphitboden 8 verteilt sind, in das Bett ein.Example 2 In a cylindrical working tube of 130 mm diameter, that down from a cone with a nozzle bottom - as shown in the accompanying pictures to the same is (Fig. 3, 4 and 5) - is completed, 3 kg (U.Th) 02 -Partikoln the sieve fraction 354 - 420 µ coated. The Beschichtuugsgas passes through a central these 5 made of molybdenum in the ett a. Carrier gas third from an annular Opening 6 around the central diaphragm and additionally through a number of holes 7 different Strong, which are distributed over the conical graphite bottom 8, into the bed.

In der Abbildung 4 sind die Bohrungen 9 des inneren Kranzes unter einem solchen Winkel angelegt, dass alle vier fnertgasströme sich senkrecht über der Zentraldüse am Punkt lO mit dem Beschichtungsgas treffen und eine innige Vermischung eintritt.In Figure 4, the holes 9 of the inner ring are below such an angle that all four inert gas flows are perpendicular the central nozzle at point 10 hit with the coating gas and an intimate mixing entry.

Abbildung 5 zeigt eine weitere Variante, bei der das BesciIichtungsgas in vier Richtungen unter einem Winkel von etwa 60° parallel zum Boden des Konus aus Öffnungen 11 des oberen Endes der Zentraldüse austritt, so dass das Boschichtungsgas und das Inertgas sich wiederum innig vermischen. Zusätzlich tritt ein neschichtungsgasstrom aus der Öffnung 12 senkrecht in das Bett ein.Figure 5 shows another variant in which the coating gas in four directions at an angle of about 60 ° parallel to the bottom of the cone exits from openings 11 of the upper end of the central nozzle, so that the Bosch sealing gas and the inert gas in turn mix intimately. Additionally occurs a stream of stratification gas from opening 12 perpendicularly into the bed.

Durch derartige Gasführungen wird erreicht, dass die Partikeln gut fluidisiert werden und über die gesamte Beschichtungszeit, während der sich das Bettvolumen ausweitet, das Zwischenraumvolumen und ebenfalls die Konzentration an Beschichtungsgas konstant sind.Such gas routing ensures that the particles are well are fluidized and over the entire coating time during which the Bed volume expands, the space volume and also the concentration increase Coating gas are constant.

Ein auf diese Weise beschichtetes Partikel mit einer Schichtenfolge 70/u, 30 µ, 80/u, wobei die letzteren zwei Schichten aus Methan abgesehieden werden, zeigt eine sehr niedrige Polygonität und somit nahezu keine tangentialen Eigenschaftsgradienten.A particle coated in this way with a layer sequence 70 / u, 30 µ, 80 / u, the latter two layers being separated from methane, shows a very low polygonity and thus almost no tangential property gradients.

Abbildung 6 zeigt ein derartig beschichtetes partikel. Die an den Stellen a und b bemessenen radialen Anisotroptokurven zeigern einen leichten Anstieg, was sich mit dem abfallenden relativen Beschichtungsgasangebot und.einer demzufolge fallenden Aufwachsgeschwindigkeit erklärt. Den Reschlchtungsasfluss, das relative Beschichtungsangebot und die Anisotropie zeigen die Kurven 3,4,5 und 6.Figure 6 shows such a coated particle. The Andes Points a and b measured radial anisotropic curves show a slight increase, what about the falling relative coating gas supply and, consequently, one Decreasing wake-up speed explained. The flow of justice, the relative Coating supply and the anisotropy are shown in curves 3, 4, 5 and 6.

Gegenüber den polygonen partikeln in Abbildung 1 zeigt das runde Partikel in Abbildung 6 keine tangentialen Anisotropiegradienten.Compared to the polygonal particles in Figure 1, the round particle shows in Figure 6 no tangential anisotropy gradients.

Beispiel 3 In einem zylindrischen Arbeitsrohr von 130 mm Durchmesser, das nach unten von einem Konus mit Düsenboden (Abbildung 7) abgeschlossen wird, werden 3 kg (I;Tll)02-partilccln der Siebfraktion 354 - Ji20/U besobichtet.Example 3 In a cylindrical working tube of 130 mm diameter, which is closed at the bottom by a cone with a nozzle bottom (Figure 7), 3 kg (I; TII) O2 parts of the sieve fraction 354 - Ji20 / U are monitored.

Das Beschichtungsgas tritt durch eine Zentraldüse senkrocht sowie durch vier zentrisch um diese Zentraldüse angeordnete Düsen parallel zum Düsenboden in das Bett ein. Die fünf Düsen bilden gemeinsam einen Düsenkopf 13. Trägergas tritt aus einer ringförmigen Öffnung um den Düsonkopf sowie zusätzlich aus acht Bohrungen 14 im Boden des Konus in das ett ein.The coating gas creeps through a central nozzle as well through four nozzles arranged centrally around this central nozzle, parallel to the nozzle base into bed. The five nozzles together form a nozzle head 13. Carrier gas occurs from an annular opening around the nozzle head as well as eight additional holes 14 in the bottom of the cone in the ett.

Eine derartige Gasverteilung über den Querschnitt gewährleistet eine gute Fluidisation der partikeln und eine gleichmässige neschichtungsgaskonzentration im Beschichtungsraum sowie während des Bescl1i ehtungsvorgange 5.Such a gas distribution over the cross section ensures a good fluidization of the particles and a uniform coating gas concentration in the coating room and during the coating process 5.

Das in diesem Verfahren hergestollte beschichtete Partikel mit einer 70 µ porösen Schicht, einer 30 µ mittoldichten, isotropen Zwischenschicht sowie einer 80 µ dichten, isotropen Schicht. abgeschieden durch pyrolyse von Methan, ist rund und zeigt keine tangentialen Eigenschaftsgradienten.The coated particle produced in this process with a 70 µ porous layer, a 30 µ medium-density, isotropic intermediate layer and an 80 µ thick, isotropic layer. separated by pyrolysis of methane round and shows no tangential property gradients.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 1. Verfahron zur Herstellung von kugolförmigen beschichteten Brennstoffteilchell durch pyrolylische Abscheidung von Fohlenstoff in einem Wirbel bett, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsgas aus einer oder mehreren Nissen in dem Roden des Wirbolbettes austritt und die Teilchen durch Trägergas, das aus Bohrungen, die konzentrisch u di Düsen angeordnet sind, in dem Wirbelbett so fluidisiert werden, dass das Zwischeon@aumvolumen Und die darin herrschende Beschichtung skonzentration während des gesamten Beschichtunge-Vorganges konstant sind.1. Process for the production of spherical coated fuel particles by pyrolytic deposition of foal in a fluidized bed, characterized in that that the coating gas from one or more neps in the digging of the fluidized bed exits and the particles by carrier gas, which from holes concentric u di nozzles are arranged, are fluidized in the fluidized bed so that the intermediate space volume And the prevailing coating concentration during the entire coating process are constant. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere Beschichtungsgasdüsen über den uerschnitt des Wirbelbettes symmetrisch verteilt Sin( trnd die Austritts bohrungen für das Trägergas konzentrisch um die Düsen angeordnet sind. 2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that several coating gas nozzles are symmetrical over the cross section of the fluidized bed distributed Sin (separates the outlet bores for the carrier gas concentrically around the Nozzles are arranged. 3. Vorfabren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Beschichtungsgas durch eine zentrale Diise in das Wirbelbett eintritt. 3. Vorfabren according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the coating gas enters the fluidized bed through a central nozzle. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, das mehrere Düsen für das Beschichtungsgas symrnetrisch übcr den Querschnitt verteilt sind. 4. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, the multiple nozzles for the coating gas symmetrically across the cross-section are distributed. 5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Beschichtungsgas zentral aus einer Düse austritt, die mehrere Austrittsöffungen aufweist, wobei ein Teil der Austrittsöffnungen in Richtung parallel zum konnsförmigen Boden des Wirbelbettes gerichtet sind und ein Teil des Gases senkrecht nach oben ausströmt. 5. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the coating gas emerges centrally from a nozzle that has several outlet openings having, with some of the outlet openings in the direction parallel to the konns-shaped Bottom of the fluidized bed are directed and part of the gas vertically upwards emanates. 6. Verfahren nach Anspruch l, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zusätzlich ein Teil des Trägergases aiis einem Ringspalt austritt, der die Düse für den Austritt des Beschichtungsgases umgibt.6. The method according to claim l, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that part of the carrier gas also emerges as an annular gap, which surrounds the nozzle for the exit of the coating gas.
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