DE3704167C1 - Verfahren zum Umhuellen von Granuliergut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umhüllen von Granuliergut mit Umhüllungsmaterial, insbesondere zum Umhüllen beschichteter Brennstoffteilchen mit bindemittelhaltigem Graphitpulver für Hochtemperaturreaktoren, mittels einer Vorrichtung aus einem Granulierbehälter und Rohren zur dosierten Zugabe von Umhüllungsmaterial und Flüssigkeit.

Das Granulieren hat als Verfahren in viele Bereiche der Industrie Eingang gefunden. Verfahren und Vorrichtung hierzu sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Die Herstellung nicht staubender, gut rieselfähiger Granulate ist ein wesentliches Anwendungsgebiet. Ein weiteres ist das Umhüllen von körnigen Substanzen mit definierten Schichten. In der pharmazeutischen Industrie werden so wirkstoffhaltige Schichten auf körnige Trägersubstanzen aufgebracht. Auch bei der Herstellung von Kernbrennelementen für den Hochtemperaturreaktor werden durch Granulation Umhüllungsschichten auf Teilchen aufgebracht. Dabei werden die mit Pyrokohlenstoff und gegebenenfalls auch mit Siliziumkarbid beschichteten Kernbrennstoffpartikel vor der Weiterverarbeitung mit einer zusätzlichen Umhüllungsschicht aus bindemittelhaltigem Graphitpulver versehen. Diese so umhüllten Brennstoffpartikel werden anschließend mit hohem Druck in eine graphitische Matrix, aus dem gleichen Material wie die Umhüllungsschicht, eingepreßt. Aufgabe der Pyrokohlenstoffschichten und ggf. der Siliziumkarbidschicht ist es, die bei Reaktorbetrieb entstehenden festen und gasförmigen Spaltprodukte im Brennelement zurückzuhalten. Diese Schichten dürfen deshalb bei der Herstellung der Brennelemente, insbesondere beim Formgebungsschritt durch Pressen, nicht beschädigt werden. Selbst sehr hohe isostatische Druckbelastungen dürfen nicht zur Beschädigung der Schichten führen. Zum Bruch der Schichten kommt es jedoch, wenn sich beschichtete Partikel beim Einpressen in die Matrix berühren und sich durch diese Punktkontakte lokale Druckspitzen aufbauen.

Die Umhüllung der beschichteten Brennstoffpartikeln mit bindemittelhaltigem Graphitpulver hat die Aufgabe, als eine Art Abstandshalter derartige Punktkontakte zu unterbinden. Die Anforderung an die Qualität der Umhüllungsschicht, insbesondere an die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke, ist deshalb sehr hoch.

Nachteilig, insbesondere im Hinblick auf die Qualitätssicherung ist, daß der Granulierprozeß allgemein sehr personalabhängig ist. Vor allem die Anlaufphase erfordert sehr viel Fingerspitzengefühl des Operateurs. Er dosiert je nach Fließverhalten des Granuliergutes die Pulver- und Flüssigkeitszugabe und muß oft sogar manuell das Fließverhalten korrigieren.

Weiterhin hat es sich bei der Anwendung der Granulierung auf dem Gebiet der Brennelementherstellung für den Hochtemperaturreaktor als sehr nachteilig erwiesen, daß Schichtdicken von 200 µm und größer, wie sie für Teilchen mit einer zusätzlichen Siliziumkarbidschicht erforderlich sind, nur mit der notwendigen Gleichmäßigkeit aufgebracht werden können, wenn der Dragierprozeß mehrmals unterbrochen wird und die Partikeln mit der angestrebten Schichtdicke jeweils abgetrennt werden. Führt man diese Separierung nicht durch, so erhält man eine sehr breite, für den vorliegenden Zweck nicht akzeptable Schichtdickenverteilung.

Aus der US-PS 34 92 379 ist ein Verfahren zum Umhüllen von beschichteten Kernbrennstoffteilchen bekannt, bei dem in einen Granulierbehälter mit festem Neigungswinkel und fester Drehgeschwindigkeit über Zuführungsleitungen Graphit und eine Harzlösung zugeführt und auf den Kernbrennstoff­ teilchen entsprechende Überzüge erzeugt werden. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß man keine gleich­ mäßigen Schichtdicken auf den Kernbrennstoffteilchen erhält.

Ähnliche Verfahren werden auch in den DE-OSen 22 21 956, 15 71 445 und 20 15 984 beschrieben. Auch mit diesen Verfahren lassen sich keine gleichmäßigen Überzugsschichten herstellen.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, daß eine möglichst enge Schichtdickenverteilung des Umhüllungsmaterials auch bei höheren Schichtdicken erzielt und das Verfahren möglichst personalunabhängig geführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Dazu wird der Granulierbehälter vor Einbringung des Granuliergutes mit einer 100 bis 1000 µm dicken Schicht aus dem Umhüllungsmaterial versehen und beim anschließenden Granulierprozeß Neigung und/oder Drehzahl des Granulierbehälters über die laufend gemessene Mitnahmehöhe des Granulierungutes so gesteuert, daß eine vorgegebene Mitnahmehöhe des Granuliergutes eingehalten wird. Außerdem wir das Rohr zur Zugabe des Umhüllungsmaterials in das Granuliergut eingetaucht, so daß die Zugabe des Umhüllungsmaterials innerhalb des Granulierguts erfolgt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Unter der Mitnahmehöhe des Granulierguts wird der Höhenunterschied zwischen dem tiefsten und dem höchsten Punkt verstanden, den die Partikeln des Granulierguts während des Umhüllungsvorgangs durchlaufen, wobei als räumliches Bezugssystem die Ebene des Granulierbehälterbodens gewählt ist.

Durch die Beschichtung hat die Granulierbehälteroberfläche bereits zu Beginn des Granulierprozesses den Belag, der sich andernfalls erst im Verlaufe des Prozesses aufbauen würde.

Somit wird erreicht, daß bereits in der schwierigen Anfangsphase des Granulierverfahrens eine optimale Oberflächenstruktur der Partikeln als Voraussetzung für ein gutes Fließverhalten des Granuliergutes vorliegt.

Das gute Fließverhalten des Granuliergutes während des gesamten Granulierprozesses ist von entscheidendem Einfluß auf einen störungsfreien Ablauf des Verfahrens und auf die Qualität der Umhüllung. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Mitnahmehöhe als meßbare Größe geeignet ist, die Güte des Fließverhaltens quantitativ zu beurteilen. Es kann somit sowohl ein unterer als auch ein oberer Grenzwert angegeben werden, deren Einhaltung ein optimales Fließverhalten gewährleistet. Diese Grenzwerte werden empirisch ermittelt. Sie sind abhängig von der Geometrie des Granulierbehälters und von den Eigenschaften des Granuliergutes. Die Erfassung der Mitnahmehöhe kann z. B. über zwei Detektoren als Grenzwertgeber erfolgen. Je nach Granuliergut kann die Detektion z. B. auf optischer Basis, auf der Basis der elektrischen Leitfähigkeit oder auch auf der Basis radioaktiver Strahlung durchgeführt werden. Die Detektoren steuern dann die Neigung und/oder die Drehgeschwindigkeit des Granulierbehälters über eine Steuereinheit auf bekannte Weise.

Eine wesentliche Verbesserung des Granulierverfahrens besteht auch darin, daß die Ausflußöffnung des Zulaufrohrs für das Umhüllungspulver sich nicht wie üblich oberhalb des fließenden Granulierguts befindet, sondern in dieses eintaucht. Das Zulaufrohr bildet vorzugsweise in Vorderansicht mit der Vertikalen einen Winkel von 10 bis 30°, wobei die Ausflußöffnung entgegen dem Drehsinn des Granulierbehälters ausgerichtet ist.

Es hat sich gezeigt, daß die optimale Eintauchtiefe des Zulaufrohrs im Bereich von 20 bis 50% der Höhe des fließenden Partikelbettes, gerechnet von oben, liegt. Wenn die Volumenzunahme so groß ist, daß dieser Bereich bei feststehendem Zulaufrohr nicht eingehalten werden kann, wird das Zulaufrohr programmgesteuert - z. B. über die Zeit - entsprechend nach oben gefahren.

Durch diese Maßnahme wird die Bandbreite der Umhüllungsschichtdicke innerhalb einer Herstellcharge deutlich verbessert. Die Anwendung dieser Maßnahme führt z. B. bei der Aufbringung von 200 µm dicken Umhüllungsschichten aus Graphit auf mit einer Siliziumcarbidschicht versehenen Brennstoffteilchen dazu, daß auf die sonst notwendige Zwischensiebung verzichtet werden kann. Dies ist eine Voraussetzung zur Automatisierung dieses Prozesses.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der folgenden Beispiele und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert, wobei

die Fig. 1 die gesamte Granuliervorrichtung schematisch zeigt,

die Fig. 2 den Granulierbehälter wiedergibt,

die Fig. 3 schematisch die Mitnahmehöhe erläutert und

die Fig. 4 und 5 Durchmesserverteilungen der granulierten Teilchen zeigen.

Der Granulierbehälter (1) hat beispielsweise einen Durchmesser von 1000 mm und eine Tiefe von 280 mm. Er wird durch einen stufenlos regelbaren Motor (6) angetrieben. Durch einen weiteren Motor (5) kann die Neigung des Granulierbehälters (1) während des Granuliervorganges verändert werden.

Die Dosierung mit dem Umhüllungsmaterial erfolgt mit Hilfe einer Dosierschnecke (7).

Eine Spiralwendel mit Motor (9) sorgt für einen ständig freien Auslauf aus dem Zuführungsrohr (10) für das Umhüllungsmaterial.

Auf der Frontabdeckung (2) des Granulierbehälters (1) sind Sprühdüsen (3, 4) für die Flüssigkeitszugabe, eine Düse (8) für die Granulierbehälterbeschichtung sowie die beiden Sonden (11) zur Erfassung der Mitnahmehöhe des Granuliergutes montiert.

• 1. Zur Herstellung von Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren erfolgt als erster Schritt im Verfahrensablauf die Beschichtung des Granulierbehälters (1). Mit einer Zweistoffdüse (8) wird dazu eine Suspension aus bindemittelhaltigem Graphitpulver und Lösungsmittel (Methanol/Aceton) vollautomatisch auf die Lauffläche der Partikel im Granulierbehälter (1) aufgesprüht. Nach Trocknung beträgt die Schichtdicke etwa 300 µm.
• Zur Aufbringung einer 100 µm dicken Umhüllungsschicht, wie sie für beschichtete Brennstoffteilchen ohne eine Siliziumkarbidzwischenschicht üblich ist, werden 5 kg dieser Brennstoffpartikeln (mittlerer Durchmesser 770 um, mittlere Dichte 2,7 g/cm³) in den Granulierbehälter (1) eingebracht. Das Zuführungsrohr (10) wird so justiert, daß es etwa 1 cm in das fließende Partikelbett eintaucht und in Vorderansicht mit der Vertikalen einen Winkel von 20° bildet.
• Nach einem vorgegebenen Programm erfolgt nun in Abhängigkeit von der Zeit auf bekannte Weise die Befeuchtung der Partikel durch Einsprühen des Lösungsmittels und die Zugabe des Umhüllungsmaterials. Die Drehzahl und die Neigung des Granulierbehälters (1) wird mit Hilfe der beiden Meßsonden (11) jeweils so eingestellt, daß die Mitnahmehöhe des Granuliergutes (12) immer zwischen den beiden Meßsonden (11) liegt (Fig. 3). Es handelt sich in diesem Fall um Meßsonden, die auf die β- und γ-Strahlung der Brennstoffteilchen ansprechen.
• Beide Sonden (11) mit Signalauswertung bilden beispielsweise eine Zweipunktregelung. Spricht keine der beiden Meßsonden (11) an, ist die Mitnahmehöhe zu niedrig, die Drehzahl wird erhöht bzw. der Winkel des Granulierbehälters (1) gegen die Vertikale vergrößert. Spricht nur die untere Meßsonde an, liegt die Mitnahmehöhe dem Sollwert entsprechend zwischen beiden Sonden: die Drehzahl und die Neigung des Granulierbehälters (1) bleiben unverändert. Sprechen beide Meßsonden (11) an, ist die Mitnahmehöhe zu hoch: die Drehzahl wird gedrosselt bzw. der Winkel des Granulierbehälters (1) gegen die Vertikale wird verringert, bis die obere Meßsonde nicht mehr anspricht. Durch diese Regelung wird ein optimales Fließen des Granuliergutes (12) und somit auch eine gleichmäßige Dichte und Dicke der Umhüllungsschicht gewährleistet.
• Die mittlere Umhüllungsdicke ist unter den so vorgegebenen Bedingungen eine eindeutige Funktion der Umhüllungszeit; für je 100 µm werden 35 Minuten benötigt. Nach Beendigung des Umhüllungsprozesses werden die Partikel entnommen und getrocknet.
• Ein Maß für die Umhüllungsqualität ist die Verteilung der Dicke der Umhüllungsschichten. Sie spiegelt sich wider in der Durchmesserverteilung der umhüllten Partikeln.
• In Fig. 4 ist die Durchmesserverteilung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach einem bisherigen Verfahren dargestellt. Bei dem bisherigen Verfahren wird der Boden des Granulierbehälters nicht vorbeschichtet und das Pulverzuführungsrohr taucht nicht in das fließende Partikelbett ein. Die Zugabe von Lösungsmittel und Umhüllungspulver erfolgt auf der Basis der visuellen Beurteilung des Fließverhaltens des Granuliergutes. Die Umhüllung wird ebenfalls ohne Unterbrechung des Verfahrens durchgeführt.
• Die Fig. 4 zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine deutlich engere Durchmesserverteilung und somit eine bessere Qualität der Umhüllung liefert.
• 2. Wie im Beispiel 1 beschrieben, wird zunächst die Beschichtung des Granulierbehälterbodens durchgeführt. Dann werden 9 kg Brennstoffpartikeln mit einer SiC- Zwischenschicht (mittlerer Durchmesser: 900 µm, mittlere Dichte: 3,2 g/cm³) in den Granulierbehälter (1) eingebracht und das Zuführungsrohr (10) für das Umhüllungsmaterial wie in Beispiel 1 justiert. Nach vorgegebenem Programm erfolgt dann die Aufbringung einer 200 µm dicken Umhüllungsschicht ohne Unterbrechung in einem durchgehenden Arbeitsschritt.
• In Fig. 5 ist die Durchmesserverteilung so umhüllter Partikeln dargestellt. Zum Vergleich ist auch die entsprechende Verteilung, wie sie nach dem bisherigen Verfahren erhalten wurde, eingezeichnet. Das bisherige Verfahren wurde dabei wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, allerdings mit der Abweichung, daß aufgrund der Umhüllungsdicke von 200 µm eine zweifache Zwischensiebung vorgenommen werden mußte.
• Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine ebenso enge Kornverteilung wie das viel aufwendigere und sehr personalabhängige bisherige Verfahren.

Claims (3)

1. Verfahren zum Umhüllen von Granuliergut mit Umhüllungsmaterial, insbesondere zum Umhüllen beschichteter Kernbrennstoffteilchen mit bindemittelhaltigem Graphitpulver für Hochtemperaturreaktoren, mittels einer Vorrichtung aus einem Granulierbehälter und Rohren zur dosierten Zugabe von Umhüllungsmaterial und Flüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß die innere Oberfläche des Granulierbehälters vor Einbringen des Granulierguts mit einer 0,1 bis 1 mm dicken Schicht des Umhüllungsmaterials versehen wird,
daß beim anschließenden Granulierprozeß durch Variation von Neigung und/oder Drehzahl des Granulierbehälters eine vorgegebene Mitnahmehöhe des Granulierguts eingehalten wird,
und daß die Zugabe des Umhüllungsmaterials innerhalb des Granulierguts im fließenden Partikelbett erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des Umhüllungsmaterials immer in einem Bereich des fließenden Partikelbetts erfolgt, der von oben in einer Höhe von 0,2 bis 0,5 der Gesamthöhe des fließenden Partikelbetts liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des Umhüllungsmaterials mit einem Zuführungsrohr erfolgt, das in Vorderansicht mit der Vertikalen einen Winkel α von 10 bis 30° bildet, wobei die Auslaßöffnung des Zuführungsrohres entgegen dem Drehsinn des Granulierbehälters ausgerichtet ist.