DE2611844B2

DE2611844B2 - Duese zur zufuehrung von gasen

Info

Publication number: DE2611844B2
Application number: DE19762611844
Authority: DE
Inventors: Eike 5170 Jülich Barnert
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-03-20
Filing date: 1976-03-20
Publication date: 1978-01-12
Also published as: GB1555732A; FR2344932A1; US4153004A; JPS6029307B2; DE2611844C3; JPS52114895A; FR2344932B1; DE2611844A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düse zur Zuführung von thermisch zersetzbaren Gasen zur Beschichtung von Brennstoff- und Brutstoffkernen für Kernreaktoren sowie der zur Beschichtung erforderlichen Trägergase, bei der ein zentraler Kanal zur Führung der zersetzbaren Gase und ein koaxial zum zentralen Kanal angeordneter Ringkanal zur Führung der Trügergase vorgesehen sind, wobei die den Ringkanal nach außen begrenzenden Wandung an ihrem oberen Ende eine Engstelle bildet.

Brenn- oder Brustoffkerne mit einem Durchmesser von einigen 100 μ werden mit einem geeigneten Stoff beschichtet, um das Austreten von Spaltstoffen zu verhindern. Nach einem bekannten Verfahren wird die Beschichtung in einer aus den Brennstoffkernen oder den Brutstoffkernen und zur Pyrolyse geeigneten Gasen, wie Methan, Azetylen, Propan, Propylen, Chlormethylsilan, Molybdän-V-Chlorid oder dergleichen sowie geeigneten Trägergasen, wie Argon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder dergleichen mittels eines Fließbettes gebildeten Wirbelschicht vorgenommen. Die Reaktionstemperatur liegt dabei zwischen 1000° und 2200⁰C. Das Fließbett besteht aus einem doppelwandigen, wassergekühlten, vorzugsweise Widerstands- oder induktivbeheizbaren zylinderförmigen Gefäß, in dem ein Reaktions- oder Fließbettrohr angeordnet ist. Die Wirbelschicht wird im Fließbettrohr gebildet, daher besteht das Fließbettrohr je nach der Temperatur, bei der die Pyrolyse ablaufen soll, aus Graphit. Die zur Pyrolyse erforderlichen Gase einschließlich des gegebenenfalls zur Verdünnung erforderlichen Trägergases werden dem Fließbett durch eine Düse zugeführt; dabei muß das eingeführte Gas mittels der Düse so verteilt werden, daß die Brennstoff- oder Brutstoffkerne in einer zirkulierenden Bewegung gehalten werden, damit alle Brennstoff- oder Brutstoff-

kerne gleichmäßig beschichtet werden.

Es sind verschiedene Ausbildungsformen von Düsen bekannt. So ist beispielsweise eine Düse bekannt, die in Form einer Kapillare in das im unteren Teil im allgemeinen kegelförmig ausgebildete Fließbettrohr einmündet (Melvin F. Browning, Dale A. Va ughan, loscph F. De t tore, John M. Blocher jr. Characterisation of pyrolytic-carbon fuel particles coating prepares with acetylene, Battels Memorial Institute, Rep.-Nr. BMI-1735, 1%5, Al, A2). Bekannt ist es auch, als Düse ein Rohr zu verwenden, das nach Art eines Kugelschliffcs am kegelförmigen Ende des Fließbettrohres angeschlossen ist. Düsen mit einer einzigen öffnung haben jedoch den Nachteil, daß bei höheren Beschichtungstemperaturen sich an der kegelförmigen Wandung des Flicßbettrohrcs Abscheidungen bilden, durch die das Fließvcrhaltcn stark beeinträchtigt wird und die gelegentlich sogar Verstopfungen der Düse verursachen.

Um diese Nachteile zu vermeiden, sind auch bereits Düsen entwickelt worden, bei denen mehrere öffnungen vorgesehen sind. Dabei besteht die Düse nach einer bekannten Ausführung aus einem Molybdünrohr mit spitz zulaufendem Ende, das für die Zuführung von Trägergas und Besehichtungsgas dient, wobei konzentrisch in dem kegelförmigen Teil des Flicßbeitrohres Bohrungen angeordnet sind, durch die ein inertes Gas — zweckmäßig das gleiche Gas, das auch als Trägergas verwendet wird — in das Fließbetirohr geleitet wird, um

jo Abscheidungen von Festprodukten zu verhindern (H. Beutler, GB, Redding, J. R. G. Gough, Development of coated particles Fuel Element Symposium, 1963, Rep. 151). Weitere Ausführungsformen bekannter Düsen bestehen darin, daß für die Zuführung

J5 von Beschichtungs- und Trägergas eine zentrale öffnung und für weitere Trägergasmengen koaxial hierzu angeordnete Bohrungen vorgesehen sind (R. L P i 11 ο t ο η , J. V Carpenter, Motion of Particles in fluidized beds and implications for the prepartion of coated nuclear fuel particles, Oak Ridge National Laboratory TM — 1170— 1965) oder in der Verwendung eine porösen Platte, die als Anordnung zahlreicher kleiner zueinander benachbarter Düsen aufgefaßt werden kann (H. B i I d s t e i η , P. K ο s s, Beschichtete

Vi Teilchen, Jahresbericht 1965, Reaktorzentrum Seibersdorf, österreichische Studiengesellschait für Atomenergie mbH.). Bei den Düsen mit mehreren öffnungen hat sich jedoch gezeigt, daß die neben der ! lauptöffnung angeordneten kleinen Bohrungen sich trotz intensiver

so Kühlung bereits nach verhältnismäßig kurzem Gebrauch verstopfen.

AnHere Ausführungen bekannter Düsenformen bestehen darin, daß um eine zentrale öffnung, die als Zuführung für das Besehichtungsgas dient, ein Ringspalt angeordnet ist, durch den das Trägergas in das Fließbett eingeblasen wird (siehe R. L. B icke rd icke et al, Studies on Coated Particle Fuel Involving Coating, Consolidation and Evaluation, D. P. Report 139, 1963 und R. L R. L e f e ν r e eta al, The Choice of Pyrocarbon

bo Deposition Agent for Nuclear Fuel Particles, D. P. Report 800,1972).

Bei einer weiteren derartigen, aus der CH-PS 4 13 138 bekannten Ausführungsform ist die Düse so ausgebildet, daß der Ringkanal in einen Ringspalt übergeht, durch

hi den das Trägergas getrennt vom Besehichtungsgas und quer zu dessen Strömungsrichtung bis zur Engstelle geleitet wird. Dabei verwirbelt sich jedoch schon an der Engstelle das Trägerg;.s mit dem Besehichtungsgas.

Auch aus der Zeitschrift »Metall« 16. lahrgang, Oktober 1962, Heft 10, Seile 958, ist eine Düse mit koaxial angeordnetem Ringkana! für das Trägergas bekannt. Bei dieser Ausführungsform wird im Gegensatz zu der zuletzt genannten Ausführungsform der innere Zentralkanal bis zur Verengung geführt. Das ist auch bei der aus der DT-PS 18 08 550 bekannten Düse aus Graphit der Rill, der bei ebenfalls ein zentraler Kanal zur Führung der zersetzbaren Gase und ein koaxial zum Zentralkanal angeordneter Ringkanal zur Führung der Trä'gergase vorgesehen sind. Alle diese Lösungen haben jedoch den gemeinsamen Nachteil, daß bei ihnen nicht verhindert wird, daß Düsenteile, die der Zersetzungstemperatur für die Beschichlungsmasse ausgesetzt sind, von den Bcschichtungsgasen benetzt werden. Aufwachsungen sowie Verstopfungen sind daher auch bei diesen bekannten Düsen nicht zu vermeiden.

F.s ist Aufgabe der Erfindung, eine Düse zur Zuführung von Gasen zu schaffen, bei der die Bildung von Abscheidungen auf Teilen der Düse und somit eine Verstopfung der Düse praktisch ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Düse der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die auf gleicher Ebene liegenden Mündungen des auf die Engstclle ausgerichteten zentralen Kanals und des Ringkanals im Abstand von der engsten Stelle der Rohrwandung angeordnet sind.

Die von den Bcschichtungsgasen durchströmte Mündung des zentralen Kanals liegt, da sie im Abstand von der engsten Stelle der Rohrwandung angeordnet ist, im Inneren der Düse. Sie befindet sich somit auf einer niedrigeren Temperatur als der für die Zersetzung der Beschichtungsgase erforderlichen Zersetzungstemperatur. Eine Bildung von Abscheidungen an den die Mündung des zentralen Kanals bildenden Teilen der Düse ist somit nicht möglich. Da ferner der durch den zentralen Kanal auf die Mitte der engsten Stelle der Rohrwandung ausgerichtete Beschichtungsgasstrom bei laminarer Ströim-ng der Gase von dem aus dem Ringkanal austretenden Trägergasstrom seitlich um- to hüllt und somit von der den Trägergasstrom zur Engstelle leitenden Wandung der Düse ferngehalten wird, wird auch an den übrigen Teilen der Düse die Bildung von Abscheidungen vermieden. Das gilt insbesondere auch für die die engste Stelle der Rohrwandung bildenden Teile der Düse, die sich auf der für die Zersetzung der Beschichtungsgase erforderlichen Temperatur befinden. Dabei hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß die engste Stelle der Rohrwandung eine nach innen spitz zulaufende Kante aufweist.

Eine vorteilhafte weitere Ausbildung der Düse gemäß der Erfindung besteht darin, daß der zentrale Kanal durch ein axial verschiebbares Innenrohr gebildet wird. Dadurch ist es möglich, die Mündungen von Zentralkanal und Ringkanal auf einen optimalen Abstand von der engsten Stelle der Rohrwandung einzustellen, wie dies bei Veränderung der in das Fließbett eingebrachten Gasmenge erforderlich sein kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterausbildung der Düse gemäß der Erfindung besteht ferner darin, daß im t,o Ringkanal zur Erzeugung einer gleich verteilten Geschwindigkeit des den Ringkanal verlassenden Trägergases eine poröse Schicht oder dergleichen vorgesehen ist. Dadurch wird eine den zentralen ßcschichtungsgassirom gleichförmig umgebende Hüllschicht aus Trägergas gebildet.

Drei Ausführungsbeispiele der Düse gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Düse mit zylindrisch ausgebildetem Raum zwischen den Mündungen von Zentralkanal sowie Ringkanal und der engsten Stelle der Rohrwandung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Düse mit konisch ausgebildetem Raum,

Fig. 3 eine Querschnitt durch eine Düse mit stromlinienförmig ausgebildetem Raum.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist die Düse einen zentralen Kanal 1 und einen den zentralen Kanal umgebenden Ringkanal 2 auf. Die den Ringkanal 2 begrenzende Wandung 3 mündet in eine engste Stelle 4 der Rohrwandung, die zugleich den unteren Abschluß des in der Zeichnung nur teilweise dargestellten Fließbettes 5 bildet. Die freie Fläche der engsten Stelle der Rohrwandung ist so gewählt, daß keine Brennstoffoder Brutstoffkerne nach unten in die Düse gelangen. Der Durchsatz des aus Beschichtungs- und Trägergas gebildeten Gasstromes durch die Verengung muß dabei mindestens so hoch sein, daß keine Partikeln nach unten in die Düse gelangen, was beispielsweise bei einem Durchmesser der engsten Stelle 4 von 6 mm ohne weiteres möglich ist. Wie aus der Zeichnung ferner hervorgeht, sind die Mündungen von Zentralkanal 1 und Ringkanal 2 im Abstand von der engsten Stelle 4 der Rohrwandung angeordnet. Das den inneren Kanal 1 bildende Innenrohr 6 befindet sich daher nicht auf der zur Zersetzung des Beschichtungsgases erforderlichen Temperatur.

Der den zentralen Kanal 1 verlassende Beschichtungsgasstrom sowie der den Ringkanal 2 verlassende Trägergasstrom gelangen bei laminarer Strömung quasi in getrennten Strömungsbahnen zur engsten Stelle 4 der Rohrwandung, wobei das Material der engsten Stelle nur von dem inerten Trägergas umspült wird. Zur Erzeugung einer gleich verteilten Geschindigkeit des den Ringkanal verlassenden Trägergases ist im Ringkanal eine eine poröse Schicht 7 bildende ringförmig ausgebildete Platte 7 aus porösem Graphit oder Sintermetall vorgesehen, die zugleich als Halterung für das in axialer Richtung verschiebbare I nnenrohr 6 dient. Dadurch, daß das Trägergas durch die poröse Schicht 7 hindurchgeleitet wird, wird ein weitgehend uniformes Geschwindigkeitsprofil im Trägergasstrom erzielt.

Die Wandung 3 kann entsprechend der Darstellung in Fig. 1 eine zylindrische Form aufweisen, jedoch auch entsprechend den Darstellungen in den F i g. 2 und 3 zur besseren Führung des Trägergasstromes zur engsten Stelle 4 konisch oder stromlinienförmig ausgebildet sein.

Als Materialien für die Wandung 3 und die die engste Stelle 4 der Rohrwandung bildenden Teile der Düse sind geeignete Graphitsorten und für das den zentralen Kanal 1 bildende Innenrohr hochwarmfeste Metalle wie warmfester Stahl vorgesehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Düse zur Zuführung von thermisch zersetzbaren Gasen zur Beschichtung von Brennstoff- und Brutstoffkernen für Kernreaktoren sowie der zur Beschichtung erforderlichen Trägergase, bei der ein zentraler Kanal zur Führung der zersetzbaren Gase und ein koaxial zum zentralen Kanal angeordneter Ringkanal zur Führung der Trägergase vorgesehen sind, wobei die den Ringkanal nach außen begrenzende Wandung an ihrem oberen Ende eine Engstelle bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die auf gleicher Ebene liegenden Mündungen des auf die Engstelle ausgerichteten zentralen Kanals (I) und des Ringkanals (2) im Abstand von der engsten Stelle (4) der Rohrwandung angeordnet sind.

2. Düse nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die engste Stelle (4) der Rohrwandung eine nach innen spitz zulaufende Kante aufweist.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kanal durch ein axial verschiebbares lnnenrohr(6) gebildet wird.

4. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringkanal zur Erzeugung einer gleich verteilten Geschwindigkeit des den Ringkanal (2) verlassenden Trägergases eine poröse Schicht (7) oder dergleichen vorgesehen ist.