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DE2036545B2 - COATED NUCLEAR FUEL PARTICLES AND THE METHOD OF MANUFACTURING THEM - Google Patents
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DE2036545B2 - COATED NUCLEAR FUEL PARTICLES AND THE METHOD OF MANUFACTURING THEM - Google Patents

COATED NUCLEAR FUEL PARTICLES AND THE METHOD OF MANUFACTURING THEM

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DE2036545B2 DE19702036545 DE2036545A DE2036545B2 DE 2036545 B2 DE2036545 B2 DE 2036545B2 DE 19702036545 DE19702036545 DE 19702036545 DE 2036545 A DE2036545 A DE 2036545A DE 2036545 B2 DE2036545 B2 DE 2036545B2
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Description

Bescnichtung oder durch Erhöhung des Beschichtungsgasflusses während der Beschichtung konstant gehalten wird und daß die Aufwachsgeschwindigkeit gleich der Grenzaufwachsgeschwindigkeit in der charakteristischen Beschichtungszone ist.Coating or by increasing the coating gas flow is kept constant during the coating and that the growth rate is equal to the limit growth rate in the characteristic coating zone.

Um diese der Erfindung zugrunde hegende Problematik verständlich zu machen, muß hier auf den Beschichtungsvorgang näher eingegangen werden.To this problem underlying the invention To make it understandable, the coating process must be discussed in more detail here.

Zur Beschichtung befinden sich die Partikeln in einem Wirbelbett, das im einfachsten Fall aus einem to 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 der auf den Teilchen abgeschiedenen Kohlenstoffs hängen von der Temperatur und ao 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 Beschiohtungsvorganges 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 pipe with a conical bottom. The nozzle opens into the tip of the cone, through which the carrier gas (argon, helium) and the coating gas (eg methane, propylene, acetylene) required for whirling are injected. The hydrocarbon gas is heated when it enters 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 ao on the amount of the hydrocarbon gas available; 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 and, associated with this, certain layer properties are obtained at each time of coating.

Es wurde nun erkannt, daß es zwei Ursachen gibt, die während eines Beschichtungsvorganges Änderungen in Aufwachsgeschwindigkeit und Schichteigenschäften hervorrufen:It has now been recognized that there are two causes for changes during a coating process induce in growth speed and layer properties:

1. Das Beschichtangsgas, 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. Auf Grund der an verschiedenen Stellen des Partikelbettes vorliegenden unterschiedlichen Beschichtungsbedingungen treten an diesen Stellen auch unterschiedliche Aufwachsgesohwindigkeiten auf und es werden Schichten mit verschiedensten Eigenschäften abgeschieden. Die einzelnen Partikeln durchwandern also je nach Umwälzgeschwindigkeit die einzelnen Beschichtungszonen und die Gesamtschicht besteht aus einer Folge dün · ner Einzelsohichten unterschiedlicher Eigenschaften. 1. The coating gas entering the fluidized bed decomposes as it breaks the particle bed flows through, so that in the upper part of the bed the coating concentration is smaller is than in the lower part. More or less occur parallel to the concentration gradient strong temperature gradients. Due to the at different points of the particle bed The different coating conditions that exist at these points also differ Waxing speeds up and there are layers with the most varied of properties deposited. The individual particles migrate through depending on the rate of circulation the individual coating zones and the overall layer consists of a series of thin n of individual layers of different properties.

2. Diesen alternierenden Schwankungen überlagert sich eine gleichmäßige, einsinnige Änderung der Eigenschaften über die gesamte Beschichtungszeit. Diese Änderung hat ihre Ursache darin, daß der Teilchendurchmesser 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 the Properties over the entire coating time. This change is due to that the particle diameter and thus the surface to be coated is constantly growing and as a result, the growth rate decreases with a constant flow of coating gas. Dependent on all other properties of the layer change as a result of the growth rate.

Mit einem von SGAE-Seibersdorf entwickelten Verfahren zur Messung der optischen Anisotropie kann die Ausbildung von Eigenschaftsschwankungen über die Schichtdicke gezeigt werden.With a method for measuring the optical anisotropy developed by SGAE-Seibersdorf the formation of property fluctuations over the layer thickness can be shown.

Abb. 1 zeigt am Beispiel der Beschichtungscharge DO 357 K die alternierenden Schwankungen der Anisotropie bei gleichbleibender Aufwachsgeschwindigkeit; Fig. 1 shows the alternating fluctuations using the coating batch DO 357 K as an example the anisotropy at constant growth rate;

Abb. 2 zeigt für die Charge WM381 die Uberlagerung der alternierenden Schwankungen und die einsinnige Änderung der Anisotropie bei fallender Aufwachsgeschwindigkeit. Beide Eigensohaftsgradienten bestimmen neben den über die Schicht gemittelteil Werten aller Schichteigenschaften das Besirahlungsverhalten der Partikeln.Fig. 2 shows the superposition of the alternating fluctuations and the unidirectional change in anisotropy with decreasing growth rate. Both property gradients determine not only the values of all layer properties averaged over the layer, but also the irradiation behavior of the particles.

Für die Herstellung von gradientenfreien Schichten können folgende Bedingungen genannt werden:The following conditions can be specified for the production of gradient-free layers:

a) Die Aufwachsgeschwmdigkeit muß wahrend der gesamten Beschichtungszeit konstant sein (siehea) The wake up speed must be during the be constant over the entire coating time (see

Abb. 1), ,...,· D · „ -τ- ·Fig. 1) ,, ..., · D · „-τ- ·

b) die Aufwaohsgeschwindigkeit muß in allen Tei-b) the up-speed must be in all parts

len des Partikelbettes gleich groß sein.len of the particle bed must be the same.

Die Einhaltung der Bedingung 1 läßt sich z. B. in einfacher Weise dadurch erreichen, daß entweder laufend Partikeln abgezogen werden und so die gesamte Partikeloberfläche mit der Beschichtungszeit konstant gehalten wird, oder aber der Beschichtungsgasfluß kontinuierlich der wachsenden Partikel·- oberfläche angepaßt wird. Es ergibt sich für den letzteren Fall dann ein Kurvenverlauf, wie er in Abb. 1 dargestellt ist.Compliance with condition 1 can be z. B. achieve in a simple manner that either Particles are continuously removed and so the entire particle surface with the coating time is kept constant, or the coating gas flow continuously of the growing particles - surface is adapted. In the latter case, the result is a curve as shown in Fig. 1 is shown.

Die zweite Bedingung fordert, daß die Aufwachsgesohwindigkeit in allen Teilen des Partikelbettes gleich groß ist, so daß alternierende Schwankungen (s. Abb. 1 und 2) vermieden werden. Diese Forderung läßt sich in einem konisch zulaufenden BeU, das von einer Düse angeströmt wird, nur dann erreichen, wenn das Verhältnis von Arbeitsrohrquersohnit zum Düsenquerschnitt < 150 ist und zugleich das Verhältnis des Volumens der fluidisierten Partikein zum Volumen der charakteristischen Beschichtungszone < 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 Besohichtungszone (A b b. 3).The second condition requires that the wake-up speed is the same in all parts of the particle bed, so that alternating fluctuations (see Fig. 1 and 2) can be avoided. This requirement can be expressed in a conically tapering BeU, that is flown against by a nozzle can only be achieved if the ratio of working tube cross-sons to the nozzle cross-section is <150 and at the same time the ratio of the volume of the fluidized particles to the volume of the characteristic coating zone is <1. The characteristic coating zone is defined here as a volume in which the concentration of coating gas is approximate is constant. In this case the volume of the entire particle bed corresponds to the characteristic one Treatment zone (A b b. 3).

Bei größeren Betten und dementsprechend größeren Volumina fluidisierter Partikeln können zwecks Vermeidung von unterschiedlichen Beschichtungszonen verschiedene Wege besohritten werden.In the case of larger beds and correspondingly larger volumes of fluidized particles, for the purpose of Avoidance of different coating zones different paths are drilled.

Eine Möglichkeit liegt in der Benutzung eines Gasführungsrohres, wodurch die Beschichtung auf die charakteristische Zone begrenzt wird.One possibility is to use a gas duct, which causes the coating to appear the characteristic zone is delimited.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Anströmbodens mit Mehrfachdüsen. In diesem Falle wird die charakteristische Beschichtungszone erweitert.Another possibility is to use an inflow base with multiple nozzles. In 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.There are concentration-dependent geometries for each of these geometries Limit growth rates that must not be exceeded if gradient-free Layers are to be achieved.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

überwinden. So sind ζ. B. Karbidteilchen mit zwei Patentansprüche: Schichten, Oxidteilchen mit drei Schichten aus pyro- lytischem Kohlenstoff hergestellt worden und Oxid-overcome. So are ζ. B. Carbide particles with two claims: layers, oxide particles with three layers made of pyro- lytic carbon and oxide 1. Kernbrennstoffteilohen, die mit Pyrolytkoh- teilchen mit fünf Schichten aus pyrolytJschem Kohlenstoff allein oder im Verbund mit Süiziumkar- 5 lenstoff und Siliziumkarbid (B ic k erd ι c κ e, bid beschichtet sind, dadurch gekenn- Ranson, Vivante, D. P. R. 139, iy63).
zeichnet, daß die Schichten aus Pyrolytkoh- Man hat als nächstes erkannt, daß Pyrokohlenlenstoff in radialer Richtung keine einsinnigen stoffscfaichten unter Neutronenbeschuß auch ohne oder alternierenden Gradienten der optischen Wechselwirkung mit dem inneren Teil des Partikels Anisotropie und der anderen Eigenschaften auf- ic brechen, nämlich dann, wenn sie stark anisotrop weisen. sind. Durch Modellrechnungen wurde gezeigt, daß
1. Nuclear fuel parts which are coated with pyrolytic carbon particles with five layers of pyrolytic carbon alone or in combination with silicon carbide and silicon carbide (B ic k erd ι c κ e, bid, characterized by Ranson, Vivante, DPR 139, iy63).
It was recognized next that pyrocarbons do not break up unidirectional material layers under neutron bombardment even without or alternating gradients of the optical interaction with the inner part of the particle anisotropy and the other properties, namely then if they are strongly anisotropic. are. Model calculations have shown that
2. Verfahren zur Herstellung beschichteter in solchen Schichten innere Spannungen auftreten, Kembrennstoffteilchen nach Anspruch 1, da- die zum Bruch führen (Literatur z.B. J. W. Pradurch gekennzeichnet, daß die Menge des pro dos und J. L. Scott, Nuclear Applications, VoI. 2 Zeiteinheit und BeschichtungsoberSäche angebo- 15 [1966], S. 402).2. Process for the production of coated internal stresses occur in such layers, Nuclear fuel particles according to claim 1, which lead to breakage (literature e.g. J. W. Prasa characterized in that the amount of per dos and J. L. Scott, Nuclear Applications, VoI. 2 Time unit and coating surface offered 15 [1966], p. 402). tenen Beschichtungsgases und damit die Auf- Der Grad der Anisotropie der Schichten einerThe degree of anisotropy of the layers of a wachsgeschwindigkeit durch Abziehen eines Partikelcharge wird durch den Baconschen Anise-Teiles der Partikeln aus dem Wirbelbett während tropiefaktor angegeben, der an den Schichten auf der Beschichtung oder durch Erhöhung des Be- Graphitplättchen gemessen wird, die der betreffensohichtungsgasflusses während der Beschichtung 20 den Partikelcharge während der Beschichtung zug·?- konstant gehalten wird und daß die Aufwachs- mischt waren. Der Anisotropiefaktor wächst mi'. geschwindigkeit gleich der Grenzaufwachs- steigender Anisotropie und ist für isotrope Schichte-· geschwindigkeit in der charakteristischen Be- gleich 1,0. In Bestrahlungstesten hat sich nun gcschichtungszone ist. zeigt, daß ein niedriger Baconscher Anisotropiefak -growth rate by removing a batch of particles is determined by the Bacon anise part of the particles from the fluidized bed during tropiefaktor indicated that on the layers the coating or by increasing the amount of graphite platelets is measured, which is the respective sealing gas flow during the coating 20 draws the particle charge during the coating? - is kept constant and that the wax-ups were mixed. The anisotropy factor increases mi '. speed equal to the limit growth of increasing anisotropy and is for isotropic layer speed in the characteristic range 1.0. In radiation tests there has now been a stratification zone is. shows that a low Bacon anisotropy factor - 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- 25 tor für ein gutes Bestrahlungsverhalten zwar notwenkennzeichnet, daß die Übereinstimmung von Ge- dig, aber nicht hinreichend ist, d.h., man findet z. B. samtaufwachsgeschwindigkeit und Grenzauf- unter Partikelsorten mit einem Baconfaktor < 1,05 waohsgeschwindigkeit durch Verwendung eines und anderen identischen Eigenschaften sowohl Gasführungsrohres mit definiertem Volumen solche, die bei einer Neutronendosis von 1,2 · 10s- und sich darin aufhaltenden definierten Partikel- 30 noch heil, als auch solche, deren Schichten gerissen mengen oder aber durch Verwendung eines Gas- sind (Literatur: Bestrahlungsexperiment im DFR führungsrohies mit definiertem Volumen und Dounreay). Die daraus sich ergebenden Unteisich darin aufhaltenden definierten Partikel- suchungen führten zu der vorliegenden Erfindung, mengen oder aber durch Verwendung eines koni- die auf der Erkenntnis beruht, daß die Angabe des sehen Graphitbodens, der eine Anzahl Bohrun- 35 mittleren Baconfaktors und anderer über die Schicht gen verschiedener Stärke für das Eindüsen von gemittelter Eigenschaften zur Charakterisierung der Trägergas sowie Einfach- oder Mehrfachdüsen Schichtqualität nicht ausreicht, sondern daß für das für Beschichtungsgas enthält, erzielt wird. Bestrahlungsverhalten die in den Teilchenschichten3. The method according to claim 2, characterized in that the correspondence of Ge dig, but not sufficient, ie one finds z. B. together with the growth rate and limit of particle types with a Bacon factor <1.05 growth rate through the use of one and other identical properties, both gas ducts with a defined volume and those with a neutron dose of 1.2 · 10 s - and defined particles residing therein still intact, as well as those whose layers are torn or due to the use of a gas (literature: irradiation experiment in the DFR guide tubes with a defined volume and Dounreay). The defined particle searches resulting therefrom led to the present invention, quantities or by using a cone, which is based on the knowledge that the specification of the graphite soil, the number of boreholes 35 mean Bacon factor and others about the Layer of different thicknesses for the injection of averaged properties to characterize the carrier gas as well as single or multiple nozzles layer quality is not sufficient, but that for the coating gas contains is achieved. Irradiation behavior in the particle layers vorhandenen Eigenschaftsgradienten eine entschei-40 dende Rolle spielen.existing property gradients a decisive 40 play a decisive role. Es ist an sich aus den Berichten der DeutschenIt is in itself from the reports of the Germans Keramischen Gesellschaft (1966) von P. Koss aus den Abschnitten 2.2 und 3 auf den S. 242 bis 244Ceramic Society (1966) from P. Koss Sections 2.2 and 3 on pages 242 to 244 Brennelemente für Hochtemperatur-Reaktoren bzw. Bild 6 und 10 bekannt, Sinterplatten als Gasenthalten den Brennstoff üblicherweise in Form von 45 zuführung einzusetzen. Sie führen im speziellen Fall beschichteten Partikeln. Es werden dafür kugelför- der Beschichtung von Kernbrennstoffteilchen bei mige Brennstoffteilchen aus Uran- und Thorium- Chargengrößen über 2 kg nicht zu befriedigenden oxid oder -karbid hergestellt, die mit Schichten aus Ergebnissen. Es hat sich herausgestellt, daß genau pyrolytischem Kohlenstoff allein oder im Verbund definierte Strömungsbedingungen für das Beschichmit Siliziumkarbid umhüllt werden. Der Durchmes- 50 tungs- und Trägergas notwendig sind und daß diese ser solcher Teilchen liegt zwischen 100 und 1000 μ. mit porösen Platten nicht erzielt werden können.
Die Beschichtung erfolgt üblicherweise in Wirbel- In der Literaturstelle von J. L. Kaae (1969) in
Fuel assemblies for high-temperature reactors or Fig. 6 and 10 known to use sintered plates as gas containing the fuel usually in the form of 45 feed. In the special case, they lead to coated particles. For this purpose, spherical coating of nuclear fuel particles in the case of moderate fuel particles from uranium and thorium batch sizes over 2 kg of unsatisfactory oxide or carbide is produced, with layers of results. It has been found that precisely pyrolytic carbon alone or in combination with defined flow conditions are enveloped for the coating with silicon carbide. The diameter and carrier gas are necessary and that these such particles are between 100 and 1000 μ. cannot be achieved with porous plates.
The coating is usually carried out in vortex In the reference by JL Kaae (1969) in
betten durch thermische Zersetzung von Kohlen- »Journal of Nuclear Materials« werden lediglich die Wasserstoffen. Diese Schichten haben die Aufgabe, radialen Temperaturgradienten berechnet, die beim den Brennstoff und die während des Abbrandes ent- 55 Transport der im Reaktor im Partikelkern entstehenden Spaltprodukte in den einzelnen Teilchen stehenden Spaltwärme durch die Schichten hindurch selbst zurückzuhalten. Daraus ergeben sich die For- auftreten; sie sind vernachlässigbar klein. Durch die derungen, daß diese Schichten sowohl die Brenn- thermischen und mechanischen Belastungen und elementherstellung überstehen als auch während des infolge der Strukturänderungen bei der Bestrahlung Abbrandes keine Beschädigung erleiden. 60 treten mechanische Spannungen in den Schichtenbeds from the thermal decomposition of coal - "Journal of Nuclear Materials" are only those Hydrogen. These layers have the task of calculating the radial temperature gradients the fuel and the transport that occurs during the burn-up in the particle core in the reactor Fission products in the individual particles, the fission heat standing through the layers hold back yourself. This gives rise to the form; they are negligibly small. Through the changes that these layers both the thermal and mechanical loads and combustion survive element production as well as during the as a result of structural changes during irradiation Burning does not suffer any damage. 60 mechanical stresses occur in the layers Es hat sich erwiesen, daß besonders die Dosis der auf, die berechnet werden in ähnlicher Weise wie in schnellen Neutronen einen erheblichen Einfluß auf der bereits genannten Literatur,
die Schichten aus Pyrokohlenstoff hat; der Pyrokoh- Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der be-
It has been shown that especially the dose that is calculated in a manner similar to that in fast neutrons has a considerable influence on the literature already mentioned,
which has layers of pyrocarbon; the Pyrokoh- According to the invention, the production of the
lenstoff schrumpft, der Brennstoffkern dehnt sich aus schichteten Brennstoffteilchen dadurch, daß die und es treten Spannungen auf, die zur Rißbildung in 65 Menge des pro Zeiteinheit und Beschichtungsoberder Schicht führen. Man hat versucht, durch Auf- fläche angebotenen Beschichtungsgases und damit bringen von aufeinanderfolgenden Einzelschichten die Aufwachsgeschwindigkeit durch Abziehen eines verschiedener Eigenschaften diese Schwierigkeit zu Teiles der Partikeln aus dem Wirbelbett während derfuel shrinks, the fuel core expands from stratified fuel particles in that the and stresses occur, which lead to the formation of cracks in the amount of per unit time and surface of the coating Lead shift. Attempts have been made to use coating gas offered by the surface and thus bring the growth speed of successive individual layers by peeling off one different properties this difficulty to part of the particles from the fluidized bed during the
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