DE2110038A1

DE2110038A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Teilchen beschichtung

Info

Publication number: DE2110038A1
Application number: DE19712110038
Authority: DE
Inventors: William Jasper Court Donald Bertram Los Alamos N Mex McCreary (V St A)
Original assignee: United States Atomic Energy Commis sion, Washington, D C
Priority date: 1970-03-04
Filing date: 1971-03-03
Publication date: 1971-09-23
Also published as: GB1289917A; US3636923A; FR2081679A1; FR2081679B1

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. C., USA

Vorrichtung und Verfahren zur Teilchenbeschichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beschichtung von z. B. aus Kernbrennstoff bestehenden Teilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff durch Behandlung in einem Wirbelstrom- bzw. Strömungsbett·

Bei der Aufbringung von Überzügen durch Strömungsbettbeschich ter werden die zu beschichtenden Teilchen, z, B. Partikel aus Kernbrennstoff, in einer senkrechten, erhitzten Kolonne mit einem Durchmesser von gewöhnlich 2,54 - 12,7 c» durch eine aufwärts strömende Gasmischung aus einem trägen Gas und einem in der Wärme zersetzbaren Kohlenwasserstoff, wie Methan oder Azetylen, in Suspension gehalten und durch die Krackprodukte gleichzeitig beschichtet.

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Je nach Art und Menge der Kohlenwasserstoffe, der Kontakt-= dauer, der Oberflächenausdehnung des Strömungsbetts und der Kolonnentemperatur lassen sich hierdurch Überzüge aus isotropem oder ausgerichtetem Kohlenstoff grosser oder geringer Dichte mit rauhem, grobkörnigem oder glattem Feingefüge erzielen. Durch geeignete Auswahl der Verfahrensbedingungen lassen sich die im Einzelfall gewünschten Eigenschaften des Überzugs ziemlich genau einstellen. Da die qualitative Aussortierung ungleichmässig beschichteter Teilchen aber nicht praktikabel ist, muss die Beschichtung sehr gleichmässig erfolgen, d. h. es muss jedes einzelne Teilchen mit einer Shiclr; gleicher Stärke und Zusammensetzung überzogen werden.

Dies ist bisher nur in sehr kleinem Maßstab, z. B. mit der von Bard u. a. in 6 Carbon 603 (1968) beschriebenen Vorrichtung möglich, z. B. in Mengen von nicht mehr als 25 g Uran einer Korngrösse von 104- - 147 /u- und einer anfänglichen Ge-

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samtfläche von 1100 cm .

Erwünscht und Hauptaufgabe der Erfindung ist die Beschichtung grösserer Mengen, z. "B. in der Grössenordnung bis 1 kg und einer anfänglichen Gesamtfläche von bis 44 000 cm . Dies scheiterte bisher an einer Reihe von Schwierigkeiten, wie z. B. der unregelmässigen Bewegung der Teilchen in der Beschichtungezone, ungleichmässiger Teilchenverteilung, insbesondere

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in der Hähe des Gasverteilers und der Teilchenwänderung aus der Beschichtungszone bis in die Teilchentrennzone. Ungünstig ist ferner die grobe Feinstruktur der beschichteten Teilchen, "besonders bei den zur Erzielung grösserer Dichte erforderlichen Niederschlagsgeschwindigkeiten, die wahrscheinlich durch Einbau von in der Beschichtungszone erzeugten Russteilchen in die pyrolytisch^ Kohlenstoffschicht verursacht wird. Dieser Russ besteht meist aus amorphem, lose zusammengeballtem Kohlenstoff, bei den meist niedrigen Behandlungstempera- ^ türen von II50 - I3OO⁰ oft auch aus Krackprodukten in Form höherer Kohlenwasserstoffe. Die besonders für die Verwendung als Kernbrennstoff günstige Beschichtung grösserer Mengen mit pyrolytischem, ausgerichtetem Kohlenstoff grosser Dichte und glattem (nicht grobkörnigem) Feingefüge bzw. glatter Mikrostruktur war bisher also nicht durchführbar. Als grosse Dicht* gilt hierbei 2 - 2,1 g/cm*, als Ausrichtung ein Bacon¹scher Anisotropiefaktor grosser als 10 und als glattes Feingefüge ein glattes Aussehen der angeschliffenen Fläche bei polari- M siertem Licht und Fehlen eines grauen Aussehens im Dunkelfeld.

Zur Lösung wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Teilchenbeschichtung durch ein Strömungsbett mit einem senkrecht von unten nach oben gesehen jeweils nacheinander angeordneten Gaseinlass, einem Gasverteiler, einer Beschichtungskammer, einer Teilchentrennkammer, einem die Kammern gleichmässig erhitzenden Heizer, einem Abzug und einem Gasauslass vorgeschlagen, „

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dass der Gasverteiler aus einer Lochplatte besteht, die auf ihrer dem Stromungsbett zugekehrten Fläche vollständig mit einander überschneidenden, durch Verbindungsdurchlässe an eine Gasplenumkammer angeschlossenen Konusöffnungen bedeckt ist, und am Ausgang von der Beschichtungskammer eine Wandleifeplatte sowie am Ausgang der Teilchentrennzone eine mittlere Leitplatte so angeordnet sind, dass die zu beschichtenden Teilchen in der gleichmässig erhitzten BeSchichtungszone gehalten werden·

In dieser Vorrichtung strömt das Gas durch einen verkleinerten Durchlass aus der BeSchichtungszone in die Trennzone und aus dieser heraus. Durch die Leitplatten und die besondere Ausbildung des Gasverteilers wird das Strömungsbett mit den zu beschichtenden Teilchen auch bei hohem Gasdurchsatz zusam mengehalten, so dass die Eontaktdauer verkürzt werden kann, und die Entstehung von Russ und dessen Einbau in die beschichteten Teilchen vermieden wird.

Mit der Vorrichtung können grössere Mengen von Teilchen, z. B. aus Kernbrennstoff mit Korngrössen von 100 - 300 /u bei Temperaturen von 1150 - 13OO⁰ gleichmässig mit pyrolytischem, ausgerichtetem Kohlenstoff mit glattem Feingefüge, aber auch Kohlenstoffniederschlagen anderer Art, beschichtet werden. Bereits in einem Durchgang wurden z. B. 750 g Uran mit einer

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durchschnittlichen Geschwindigkeit von bis zu 3*6 /u/Std. ·" beschichtet. Günstig ist auch die gewünschtenfalls mögliche grössere Variationsbreite der Schichtzusammensetzung und -eigenschaften.

In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 die BeSchichtungsvorrichtung im Längsschnitt, und die Figur 2 in perspektivischer, aufgeschnittener Teilansicht einen in der Vorrichtung der Figur 1 verwendbaren Gasverteiler.

Die wichtigsten Bauteile des in der Figur 1 gezeigten Strömungsbettbeschichters bestehen aus Graphit. Die Mischung aus Kohlenwasserstoff und trägem Gas gelangt in den Beschichter durch einen-Gaseinlass 1 und strömt durch einen Gasverteiler 2 in die Strömungsbettbeschichtungszone 3· Der Gasverteiler 2 besteht z. B. aus einer einzelnen Düsenöffnung wie gemäss Figur 1 oder mehreren Düsen, oder auch einer Diffusionssperre, vorzugsweise aber aus dem in der Figur 2 gezeigten Verteiler. Die zylindrische HauptbeSchichtungskammer 13 ist über einen z. B. um 30 - 4-5° verjüngten Teil 14 mit dem Gasverteiler verbunden. Die Geschwindigkeit der Gasströmung nimmt in der Trennzone 5 soweit ab, dass der grÖsste Teil der beschichteten Partikel unter dieser Zone bleibt. Die bei bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten bestehende Neigung einzelner Partikel, in und über die Trennzone 5 aufzusteigen, wird durch ein mit*-

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leres Leitblech 11 ausgeschaltet, das durch drei am Eingang zum Abzug 7 befestigte Zentrierstifte 6 in Lage gehalten wird. Obwohl einzelne Teilchen auf die Leitbleche auftreffen können, ist ihre Geschwindigkeit zu gering, um die Beschichtung zu beschädigen. Durch eine Ausnehmung in dem mittleren Leitblech 11 können Thermoelemente in die Beschichtungszone herabgelassen werden, um die Temperatur an verschiedenen Stellen des Strömungsbettes zu messen.

Der Abzug 7 ist mit einer Kappe 9 abgedeckt; die Abgase aus der Strömungsbettbeschichtungszone (grösstenteils träges Gas und Wasserstoff) verlassen die Vorrichtung daher durch den Gasauslass 10. Die das Strömungsbett bildenden Teilchen werden durch einen die Beschichtungszone 3 und den Gasverteiler 2 umgebenden Heizer 12 bekannter Bauart, z. B. einen Widerstands- oder Induktionserhitzer erhitzt, der mit genügender Kapazität ausgelegt sein muss, um die Teilchen nicht nur auf die Beschichtungstemperatur zu erhitzen, sondern auch während der Beschichtung ohne nennenswerte Temperaturgefälle auf dieser Temperatur zu halten. Die Figur 2 zeigt eine günstige Ausbildung des in der Beeehichtungsvorrichtung verwendbaren Gasverteilers. Eine Lochscheibe 15 ist mit ihrem Umfang 16 formschlüssig in den verjüngten Teil 14 der Beschichtungezone 3 (Figur 1) eingesetzt, und auf der der Beschichtungszone zugewendeten Fläche mit einer Vielzahl einander überschneidender Konueöffnungen 17» 17' bedeckt, so dass auf dieser Fläche

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keine flachen Stellen anzutreffen sind. Der Winkel dieser überschneidender Konusflächen beträgt z. B. 4-5 - 75°, beispielsweise 60°. Die Konusöffnungen 17, 17' sind durch geeignete Verbindungsmittel 18 an eine einfache Plenumkammer 19 angeschlossen, die ihrerseits über den Kanal 20 mit dem Gaseinlass 1 verbunden ist. Die Verteilung der durch die öffnungen 17, 17' strömenden Gase ist an sich nicht genau bekannt, wahrscheinlich strömt aber durch die öffnung 17 eine g grössere Gasmenge, als durch ,iede einzelne andere öffnung 17'· -L>er fcjcheibendurchmesser, die Zahl der Konusöffnungen und die Grosse der Verbindungen 18 ist nicht kritisch, nur muss ein zur Bildung des Strömungsbetts ausreichender Gasdurchsatz durch die öffnungen 17, 17' gewährleistet sein. Beispielsweise wurden ausgezeichnete Ergebnisse mit einer Vorrichtung erzielt, in der eine Lochplatte mit einer dem Strömungsbett zugewendeten Fläche von 3 cm Durchmesser neunzehn 1,6 mm weite, im gleichen gegenseitigen Abstand verlaufende Durchlässe 18 und Konusöffnungen 17, 17' mit iHnenwin- ™ kel von 60° aufwies; der Durchmesser der BeSchichtungskammer 13 betrug 7,6 cm und der verjüngte Teil 14 schloss einen Winkel von 30° ein.

Zur Durchführung der Beschichtung wird die BeSchichtungszone zunächst auf eine etwas über der Beschichtungetemperatur lie-

« gende Temperatur erhitzt. Während ein zum Aufbau des Strömungs-

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betts ausreichender Gasstrom eingeleitet wird, werden die zu "beschichtenden Teilchen, z. B. Uranbikarbid mit einer Gesamt-

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fläche von etwa 44000cm eingeführt. Die Teilchengrösse ist an sich nur durch die begrenzte Möglichkeit des Aufbaus eines Strömungsbetts beschränkt; besonders günstig sind Korngrössen von 100 - 500 /U. Sobald die Teilchen die erforderliche Temperatur erreicht haben, wird ein träges Gas und ein Kohlenwasserstoff in die Vorrichtung eingeleitet, wodurch die Temperatur sich meist noch um 2 - 3% ändert. Die Temperatur kann in weiten Grenzen schwanken und muss nur über der Krackgrenze des Kohlenwasserstoffs liegen. Praktisch sind II50 - 13OO⁰ am günstigsten. Die Eigenschaften der pyrolytischen Kohlenstoffschicht richten sich nach Art und Menge des gasförmigen Kohlenwasserstoffs, der Kontaktdauer, der Fläche des Strömungsbetts und der Temperatur.

Die Vorrichtung wurde mit konstantem Durchsatz betrieben; im übrigen ist aber der Gasdurchsatz - abgesehen von dem Einfluss auf die Eigenschaften der Kohlenstoff schicht - kritisch. Gegebenenfalls kann der Durchsatz geändert, z. B. gesteigert werden, nachdem eine bestimmte Schichtdicke erreicht ist. Bei konstantem Durchsatz nimmt die radiale Niederschlagsgeschwindigkeit bei sonst gleichbleibenden Bedingungen während der Beschichtung ab.

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Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung ohne Beschränkung. Es wurde eine Vorrichtung mit einer Hauptbeschichtungskaimner mit einem Durchmesser von 7»6 cm und einer Beschichtungszone mit einer Höhe von 24 cm verwendet. Der untere verjüngte Teil der Beschichtungszone schloss einen Winkel

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von 30 ^/und besass eine untere öffnung mit einem Durchmesser von 3»5 cm· Der die Trennzone "bildende konische Teil hatte eine Höhe von 5»6 cm und schloss einen Winkel von 60° ein. Die Weite der von der Haupfbeschichtungskammer in diesen Teil " führenden öffnung war 5 ei, so dass um den Ausgang der Beschichtungskammer eine 1,27 cdi grosse Lippe entstand. Der Durchmesser des Abzugs betrug 12 cm. In diesem war am Ausgang der Trennzone eine mittlere Leitplatte mit einem Durchmesser von 8,8 cm aufgehängt. An dem unteren verjüngten Teil der Beschichtungszone war ein Gasverteiler mit einer Lochplatte abdichtend befestigt.

Die Beschichtungszone des Strömungsbetts wurde auf 1225° er- M hitzt und in diese ein zum Aufbau des Wirbelstrom- bzw. Strömungsbetts ausreichender Heliumdurchsatz geleitet. Sodann wurde die Beschichtungszone mit zuvor in einer bekannten Vorrichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichteten Uranbikar-

2 bidpartikeln mit einer anfänglichen Gesamtfläche von 44000 cm , einem Gewicht von insgesamt 705 g, wovon 575 g auf Uran entfielen, und einer durchschnittlichen Korngrösse von 150 yu beschickt.

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Hachaem das Strömungsbett die erforderliche Temperatur erreicht hatte, wurde mit dem Helium Methan eingeführt und die Gasmischung auf einen Methananteil von 50 Vol.% eingestellt. Die Gesamtbeschiclcung mit Gas wurde dann auf J>0 l/Min, eingestellt. Der Druck betrug entsprechend dem Normaldruck von Los Alamos, New Mexico, TJSA, 580 Torr. Bei diesen Bedingungen schwankte die Temperatur je nach der Stelle im Strömungsbett von II70 - 1180°. Es wurden 28 /u ausgerichteter pyrolytisolier Kohlenstoff grosser Dichte und glattem leingefüge mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 3 /u/Std. niedergesehie.-gen. Die Dielte des Kohlenstoff Überzugs betrug 2,07 g/cm^v und der Bacon¹sehe Anisotropiefaktor betrug im niedergeschlagenen Zustand mehr als ,20. Die Analyse ergab einen durchweg gleichmassigen Überzug, sowohl hinsichtlich der Dicke als auch der Eigenschaften, auf allen behandelten Teilchen.

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Claims

Patentansprüche

1.J Vorrichtung zur Teilchenbeschichtung durch ein Strömungsbett, mit einem senkrecht von unten nach oben gesehen jeweils nacheinander angeordneten Gaseinlass, einem Gasverteiler, einer Beschichtungskammer, einer Teilchentrennkammer, einem die Kammern gleichmässig erhitzenden Heizer, einem Abzug und einem Gasauslass, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler aus einer Lochplatte besteht, die auf ihrer dem Strömungsbett zugekehrten Fläche vollständig mit einander überschnei- M denden, durch Verbindungsdurchlässe (18) an eine Gasplenumkammer angeschlossenen Konusöffnungen (17? 17') bedeckt ist, und am Ausgang von der Beschichtungskammer eine Wandleitplatte (4) sowie am Ausgang der Teilchentrennzone eine mittlere Leitplatte (11) so angeordnet sind, dass die zu beschichtenden Teilchen in der gleichmässig erhitzten BeSchichtungszone gehalten werden.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusöffnungen einen Winkel von 60° einschliessen.

3. Verfahren zur Beschichtung von Teilchen, z. B. aus Kernbrennstoff einer Gesamtfläche bis zu 44000 cm , mit einem tjuerzug aus ausgerichtetem, pyrolytischem Kohlenstoff grosser Dichte und glattem Feingefüge, unter Verwendung der Vorrichtung gemäss Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, dass durch ■

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das auf 1200° erhitzte Strömungsbett ein aus einem tragen Gas und Methan "bestehendes Beschichtungsgas mit solchem Durchsatz geleitet wird, dass die Beschichtungsgeschwindigkeit 3*6 /u/Std. nicht übersteigt.

4-. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsgas je zur Hälfte aus Helium und Methan besteht.

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