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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Körnern, d. h. mehr oder weniger kleinen Teilchen, die mit einer Schutzschicht
möglichst gleichmäßiger Dicke überzogen sind. Als Anwendung kommt insbesondere das
Überziehen von Brennstoffkörnern für Kernreaktoren mit einem Schutzüberzug in Frage.
Der Schutzüberzug verhindert eine Berührung des Brennstoffs mit dem Wärmeaustauschmedium,
so daß keine Reaktion zwischen Brennstoff und Medium und keine Korrosion des Brennstoffs
auftreten kann. Ferner verbessert der Schutzüberzug die Dimensionsstabilität der
Brennstoffkörner unter Bestrahlung. Weitere beispielsweise genannte Anwendungsgebiete
betreffen das Überziehen von Molybdän- oder Wolframkörnern zum Schutz gegen Oxydation
oder den Schutz von Körnern aus anderen Metallen gegen chemische oder metallurgische
Angriffe.
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Als Kernbrennstoffe, aus denen die Körner bestehen können, kommen
insbesondere Uran, Thorium, Plutonium, ihre Verbindungen und Legierungen untereinander
und mit kleinen Mengen anderer Stoffe einschließlich der Oxyde, Silicide, Karbide,
Nitride, Sulfide usw. in Frage.
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Der Überzug besteht im allgemeinen aus Stoffen mit kleinem Absorptionsquerschnitt
für Neutronen, so daß der Überzug diejenigen Neutronen, welche die Kernreaktion
hervorrufen, nicht zu sehr absorbiert. Solche Stoffe sind insbesondere Zirkonium
und seine Legierungen (Zircaloy), Aluminium, Edelstahl, Beryllium, Niob usw. und
ihre Legierungen. Die Dicke des Überzuges ist im allgemeinen gering und beträgt
oft nur einige Mikron.
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Die zu überziehenden Körner sind im allgemeinen kugelförmig und haben
geringen Durchmesser zwischen etwa 0,074 und 0,25 mm. Am meisten sind Körner in
der Größenordnung zwischen 0,08 und 0,1 mm Durchmesser gefragt. Es kommen
aber auch größere Körner mit einem Durchmesser von 3 mm und mehr vor. Die Herstellung
dieser Körner kann im Schrotturm, im Plasmastrahl oder auf andere Weise geschehen.
Falls die Teilchen nicht kugelförmig sein müssen, können sie auch in der Kugelmühle
gemahlen werden.
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Wesentlich für die Erzielung der gewünschten Effekte ist es, daß der
Überzug jedes Teilchens so beschaffen ist, daß sie die geforderte chemische, nukleare
oder sonstige Wirkung der ganzen Körnermasse ergibt. Hierzu muß das Verhältnis des
Überzuges zum überzogenen Stoff an jeder Stelle genau den vorgeschriebenen Wert
haben. Ferner soll der Überzug auf der ganzen Oberfläche jedes Korns die gleiche
Dicke aufweisen, damit ein aus solchen überzogenen Körnern bestehendes Brennstoffelement
sich im Verlauf einer Reaktion nicht ungleichmäßig erhitzt.
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Es ist bekannt, daß eine Schutzschicht, beispielsweise aus Niob, derart
erzeugt werden kann, daß die zu überziehenden Körner in einer Wirbelschicht mit
einem Halogen des überzugmaterials behandelt werden, wobei gleichzeitig das Halogen
reduziert wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß dieses Verfahren für so bedeutsame
Stoffe wie Zirkonium-Legierungen nicht anwendbar ist. Im Falle gewisser überzugsstoffe
treten chemische oder andere Reaktionsprodukte auf, die mit dem zu überziehenden
Material ungünstig reagieren. Bei anderen überzugsstoffen liegt die Reduktionstemperatur
oberhalb der Schmelztemperatur des zu überziehenden Materials, so daß die Körner
während des Überziehens schmelzen und zusammenbacken.
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Es sind ferner Versuche bekanntgeworden, Überzüge aus Zirkonium-Legierungen
und ähnlichen Stoffen dadurch zu erzeugen, daß die Körner des zu überziehenden Materials
im Vakuum mit dem Überzugsmaterial bedampft werden. Das Aufdampfen im Vakuum würde
das überziehen mit Stoffen ermöglichen, deren chemische bzw. andere Reaktionsprodukte
bei einem Reduktionsvorgang mit dem zu überziehenden Material reagieren oder bei
denen die Reduktionstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Überzugsmaterials
liegt. Es wurde aber festgestellt, daß in dieser Weise überzogene Körner keine gleichmäßige
überzugsdicke auf ihrer ganzen Oberfläche aufweisen und außerdem zum Zusammenbacken
neigen.
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Weiter hat das bekannte Aufdampfen einen geringen Wirkungsgrad, weil
der Dampf des Überzugsmaterials sich nach allen Richtungen ausbreitet, während die
Körner nur in einem bestimmten Bereich angeordnet sind. Im allgemeinen erfüllt der
Dampf einen kegelförmigen Raum, dessen Scheitel durch die Oberfläche des erhitzten
überzugsmaterials gebildet wird. Es ist nahezu unmöglich, die Körner dort unterzubringen,
wo der Dampf vorzugsweise hindringt. Beispielsweise ist versucht worden, die Körner
auf einer schwingenden Platte unterzubringen, über der sich das zum Verdampfen benutzte
Schiffchen befindet. Der Dampf steigt aber vorzugsweise nach oben, und nur ein kleiner
Teil desselben schlägt sich auf den Körnern nieder.
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Auch wenn man nach anderen bekanntgewordenen Vorschlägen die Körner
frei durch eine Dampfwolke des Überzugsstoffes fallen läßt, werden die Ergebnisse
nicht viel besser.
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Es ist ferner bekannt, die im Vakuum aufgedampften Überzüge dadurch
gleichmäßiger zu machen, daß die Körner ständig umgelagert bzw. umgewälzt werden,
beispielsweise mittels einer rotierenden Trommel, innerhalb welcher die Bedampfungsquelle
untergebracht ist. Dieses Verfahren ist aber wenig wirkungsvoll und eignet sich
nicht für kontinuierlichen Betrieb.
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Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren zum überziehen von
körnigem Material durch Vakuumaufdampfen, bei dem die Körner ständig in einer Dampfwolke
des Überzugsstoffes bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß den Körnern durch
Zentrifugalkraft eine Bewegung erteilt wird, welche die Körner in Ausbreitungsrichtung
der sich von der Dampfquelle verbreiternden Dampfwolke bewegt.
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Dank dieser Maßnahme kommen die Körner auf einer langen Strecke ständig
mit der Dampfwolke in Berührung und werden infolgedessen gründlich und gleichmäßig
überzogen.
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Vorzugsweise wird den Körnern durch die Zentrifugalkraft längs einer
rauhen Fläche eine Rollbewegung erteilt, so daß gewährleistet ist, daß der Dampf
sich an allen Stellen der Körneroberfläche gleichmäßig niederschlägt.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich insbesondere ein trichterförmiges,
rotierbares und rauhe Innenflächen aufweisendes Gefäß, dem die zu überziehenden
Körner durch ein Rohr zur Mitte zugeführt werden, wobei in Basisnähe des Gefäßes
eine Dampfquelle angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform wird
das Gefäß im Vakuum, gemäß Patentschrift 562 803/68, oder unter Schutzgas unter
einem Rezipienten gedreht, und der Dampf wird innerhalb des Rezipienten erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf Metalle oder andere einatomige Elemente
beschränkt; es können auch Verbindungen wie Metalloxyde für Überzugszwecke verdampft
werden. Die Verdampfung des Überzugsmaterials kann durch Widerstandsheizung, Induktionsheizung
oder Elektronenstrahlheizung hervorgerufen werden. Gegebenenfalls, d. h., wenn das
Überzugsmaterial schmelzbar ist, wird ein Schiffchen, beispielsweise aus wassergekühltem
Kupfer, Graphit oder Keramik, verwendet. Im allgemeinen wendet man Hochvakuum an,
um die Verdampfung zu fördern und Verunreinigungen zu verhüten. Der Dampf kann auch
durch einen Lichtbogen zwischen einer Elektrode, die aus dem Überzugsmaterial besteht,
und einer Hilfselektrode erzeugt werden. Letztere kann ebenfalls aus dem Überzugsmaterial
bestehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat u. a. folgende Vorteile: 1. Es
läßt sich leicht kontinuierlich gestalten, so daß eine Aufhebung des Vakuums und
ein Auseinandernehmen der Apparatur nicht erforderlich ist.
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2. Die Körner sind dem Dampf in einem großen Raumwinkel im Vergleich
zu demjenigen Raumwinkel ausgesetzt, der bei den bekannten Bedampfungsverfahren,
z. B. mit einer schwingenden Platte, erreichbar ist.
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3. Das zu verdampfende Material befindet sich im wesentlichen unterhalb
des zu bedampfenden Materials, so daß kein schmelzendes überzugsmaterial auf die
Körner tropfen kann.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es
zeigt F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Ausführungsform der Erfindung
und F i g. 2 einen Ausschnitt einer Abänderung derselben.
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F i g. 1 und 2 stellen Achsenschnitte durch eine zylindersymmetrische
Vorrichtung dar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überziehen von Körnern
10 besteht aus einem gasdichten Rezipienten 70 mit einer Glocke
72, einer Grundplatte 74 und einem Dichtungsring 76 zwischen beiden. Ein
Pumpstutzen 75 dient zum Evakuieren bzw. zum Gaseinlaß in den Rezipienten.
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Auf der Grundplatte 24 ist ein Gestell 77 befestigt, auf dem
eine rotierende Fördervorrichtung 78 für die Körner 10 gelagert ist.
Die Fördervorrichtung 78 besteht aus einem konischen Behälter 80 mit einem
angesetzten Fuß 82, der durch eine Bohrung 84 im Gestell 77 hindurchgeht und als
Drehachse dient. Die Innenfläche des Behälters 80 erweitert sich von der Drehachse
82 nach außen. Die Achse 82 ist in Lagern 85 und 86 geführt, die durch Ringe 88
und 89 an der axialen Verschiebung gehindert sind. Unmittelbar oberhalb des Ringes
89 ist am Behälter 80 ein Zahnrad 90 angeformt. Das Zahnrad 90 kämmt
mit einem Ritzel 92, das auf einer durch das Gestell 76 und die Grundplatte
74 hindurchgehenden Antriebswelle 94
sitzt. Die Welle 94 ist
durch einen Ring 96 und die Lager 97, 98 und 99 geführt.
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In der Mitte der Fördervorrichtung 78 befindet sich unmittelbar
über der Basis derselben ein Schiffchen 100. Das Schiffchen 100 ist mittels einer
Wicklung 102 heizbar, die sich zwischen den inneren und äußeren Wänden des
Schiffchens befindet. Das Schiffchen 100 ist an einer Brücke 104 aufgehängt,
die ihrerseits an einer kreisförmigen Rinne 106 zur Aufnahme der Körner befestigt
ist. Das Schiffchen 100
soll so niedrig wie möglich aufgehängt sein. Die Rinne
106 ist mit Streben 105 am Gestell 76 befestigt. Die Rinne 106 soll so geneigt sein,
daß die rechte Seite in der Zeichnung höher als die linke Seite liegt.
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Eine Leitung 108 führt von der Rinne 106 zentral durch
die Achse 82 in die Fördervorrichtung 78. In ihrem unteren Teil kann
die Leitung 108 über ein vakuumdichtes, magnetisch betätigtes Absperrorgan
210 mit einem Fallrohr 110 verbunden sein. Das Absperrorgan wird geöffnet, um die
überzogenen Körner zu entnehmen, wenn der Überzug genügend weit fortgeschritten
ist. Um dies zu prüfen, können von Zeit zu Zeit Proben entnommen werden.
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Dreht sich der Behälter 80, so werden die Körner
10 durch Zentrifugalkraft längs der Innenfläche des Behälters nach oben getrieben.
Erreichen sie den oberen Rand des Behälters 80, so fallen sie in die Rinne
106 und gelangen über die Leitung 108 zurück in die Fördervorrichtung
78, solange das Absperrorgan 210 geschlossen ist. Infolgedessen werden
die Körner wiederholt dem überzugsvorgang unterworfen. Dies setzt sich so lange
fort, bis das Absperrorgan 210 geöffnet wird.
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Zum Nachfüllen des überzugsmaterials dient eine durch die Glocke 72
durchgeführte Leitung, bestehend aus einem Mantel 113 und einem Innenrohr
115. Eine weitere durch die Glocke 72 durchgeführte Leitung 114 endet oberhalb des
höheren Endes der Rinne 106 und dient zum Nachfüllen neuer Körner. Die Körper
10 gelangen durch ihre Schwere in die Leitung 108 und treten von dort
am Scheitel des Behälters 80 aus.
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Der Betrieb der beschriebenen Vorrichtung geht folgendermaßen vor
sich: Die Antriebswelle 94 wird mit einem passenden Motor verbunden und dreht die
Fördervorrichtung 78 mit größerer Geschwindigkeit. Die zu überziehenden Körner
werden über die Leitung 114 in den Rezipienten 70 eingeführt, gehen durch
die Rinne 106
und die Leitung 108 zum unteren Ende der konischen Fördervorichtung
78 und werden dann durch Zentrifugalkraft an der Innenfläche 79 des Behälters 80
hochgetrieben. Um ein Gleiten der Körner zu verhindern, muß der Reibungskoeffizient
zwischen ihnen und der Innenwand des Behälters 80 hoch sein. Zu diesem Zweck
ist die Innenfläche aufgerauht.
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Am äußeren Umfang 81 des Behälters 80 fliegen die Körner
in die Rinne 106, die als Auffangbehälter dient. Am tiefsten Punkt der Rinne
106 befindet sich die Öffnung der Leitung 108, so daß der beschriebene
Umlauf wiederholt oder die Körner gegebenenfalls durch das Fallrohr 110 abgelassen
werden können.
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Während des beschriebenen Umlaufs der Körner wird das Schiffchen 100
erhitzt und mit dem Überzugsmaterial beschickt, so daß die Dämpfe desselben gemäß
den Pfeilen 116 das Innere der Fördervorrichtung 178 erfüllen. Der Dampf gelangt
insbesondere auf die Innenfläche des Behälters 80 und trifft dort in breiter
Fläche auf die ständig bewegten Körner. Der Deckel 107 der Rinne
106 dient dazu, den Dampf auf die Innenfläche der umlaufenden Fördervorrichtung
78 abzulenken.
Statt der Induktionsheizung kann ebensogut eine Lichtbogenverdampfung,
ein Plasmastrahl oder Elektronenbeschuß zum Verdampfen des überzugsmaterials verwendet
werden. Da die gesamte Innenfläche 79 im Betrieb mit bewegten Körnern bedeckt ist,
läßt sich eine hohe Wirksamkeit und Gleichmäßigkeit des Überzugsvorganges erzielen.
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Falls die Körner mit einer Legierung überzogen werden soll, können
die Bestandteile der Legierung einzeln oder gleichzeitig in getrennten Schiffchen,
die bei verschiedenen Temperaturen betrieben werden, verdampft werden. Auch hierbei
werden die Körner 10 gleichmäßig überzogen, weil sie ständig in dem Dampf der verschiedenen
Bestandteile eine Rollbewegung ausführen.
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Um die gewünschte überzugstemperatur für verschiedene Stoffe zu erzielen,
kann der Behälter 80 erwärmt oder gekühlt werden. Die Erwärmung kann mit Hilfe von
Induktionsspulen erreicht werden, die den Behälter 80 umgeben und mit einem Strom
der gewünschten Stärke und Frequenz beschickt werden. Die Kühlung kann dadurch bewirkt
werden, daß ein inertes Gas durch den Pumpstutzen 75 eingeblasen wird oder daß der
Behälter 80 mit einer Wasserkühlung versehen wird. Im letzteren Falle kann der Behälter
80 mit einem Kühlmantel versehen sein, worin er in vakuumdichten Lagern rotiert.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist ebenfalls ein kegelförmiger
Behälter 220 vorgesehen, der mit Hilfe von Zahnrädern 222 und 224 in Drehung versetzt
wird. In diesem Falle werden jedoch die Körner 10 mittels vakuumdicht durch den
Deckel 228 durchgeführter Rutschbahnen 226 in die Mitte des Behälters 220 eingeführt.
Wie in F i g. 1 ist die Welle des Behälters 220 hohl. Ein Stab 230 aus dem Überzugsmaterial
wird kontinuierlich durch eine Vakuumdichtung (nicht dargestellt) in das Innere
des Behälters nachgeschoben und mittels eines Elektronenstrahls 232 verdampft. Der
Elektronenstrahl wird von einem Elektronenstrahlerzeuger 234 geliefert, der auf
dem Deckel 228 sitzt. Der Elektronenstrahlerzeuger 234 ist in bekannter Weise
mit Beschleunigungs- und Fokussiervorrichtungen versehen, und der Strahl kann nach
Bedarf Impuls- oder Schwingbewegungen über die Stirnfläche des Stabes 230 ausführen.
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Der Behälter 220 ist von einer Spule 240 aus rohrförmigem Draht umgeben.
Wird ein Strom (z. B. ein Hochfrequenzstrom) durch die Spule geschickt, so läßt
sich der Behälter erwärmen, während umgekehrt durch das Innere des Drahtes ein Kühlmittel
geschickt werden kann. Die Spule kann mit dem Behälter umlaufen, und ist in diesem
Falle über entsprechende Anschlußvorrichtungen mit der Kühlwasserzufuhr und der
Stromquelle verbunden.
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Die überzogenen Körner 10 werden mittels der Leitung 242 abgezogen.
Gegebenenfalls können sie mehrmals wieder eingeführt werden.