Einsatz von FB-CVD für die Herstellung von TRISO-Kernbrennstoffpartikeln

Sechs Typen von Kernreaktoren der Generation IV stellen die nächste Stufe verbesserter Sicherheit, Nachhaltigkeit, Effizienz und Kosten für die Bereitstellung von Kernenergie dar. Zu ihnen gehören:

• Mit überkritischem Wasser gekühlte Reaktoren (SCWR)
• Schnelle Reaktoren aus Blei (LFR)
• Schnelle Natriumreaktoren (SFR)
• Salzschmelzenreaktoren (MSR)
• Gasgekühlte schnelle Hochtemperaturreaktoren (HTGR)
• Sehr-Hochtemperatur-Reaktoren (VHTR)

Dieser Artikel konzentriert sich in erster Linie auf gasgekühlte Hochtemperaturreaktortypen, um die tristrukturell-isotrope (TRISO) Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpartikeln. TRISO-Kernbrennstoffpartikel sind die Hauptstromquelle in HTGR-Reaktoren, können aber auch in fluorid-salzgekühlten Hochtemperaturreaktoren (FHRs) und Leichtwasserreaktoren (LWR).

TRISO Kernbrennstoffpartikel

TRISO-Kernbrennstoffpartikel bestehen aus verschiedenen UOX-Chemikalien, wie UO₂die mit vier Schichten aus drei isotropen Materialien überzogen sind, die als Schutzkern aufgebracht wurden. Diese vier Schichten sind:

1. Puffer PyC-Schicht
2. Innere PyC-Schicht
3. SiC-Schicht
4. Äußere PyC-Schicht

Die TRISO-Kernbrennstoffpartikel werden durch Prozessbelastungen wie unterschiedliche Wärmeausdehnungen und Spaltgasdrücke bis zu Temperaturen von 1600°C nicht zerbrochen. Da diese Reaktoren bei einer Temperatur von etwa 750 °C arbeiten, sind die radioaktiven Brennelemente bei den schlimmsten Schmelzszenarien in einem ordnungsgemäß ausgelegten Reaktor isoliert. Mit anderen Worten, alle radioaktiven Spaltprodukte, die während des Reaktionsprozesses entstehen, sind im Brennstoff eingeschlossen, so dass keine Radioaktivität aus den Brennstoffpartikeln nach außen gelangt, auch nicht unter den typischen Betriebsbedingungen (bis zu 1600 °C).

FB-CVD TRISO Herstellung

Das Hauptverfahren für die Abscheidung dieser isotropen Materialschichten zur Bildung von TRISO-Kernbrennstoffpartikeln ist eine Technik, die als chemische Gasphasenabscheidung im Wirbelschichtverfahren (FB-CVD). Beim FB-CVD-Verfahren werden die UOX-Kerne des Kernbrennstoffs durch ein Fluidisierungsgas verwirbelt und in einem beheizten Strahlschicht-Beschichtungsofen mit einem reaktiven Gas beschichtet.

• Die PyC-Pufferschicht wird mit Acetylen als Reaktionsgas und Argon als Fluidisierungsgas bei einer Kammertemperatur von etwa 1260 °C hergestellt.
• Die inneren und äußeren PyC-Schichten verwenden Propylen als Reaktionsgas und Argon als Fluidisierungsgas bei Kammertemperaturen von 1280-1300 °C.
• Umgekehrt wird die SiC-Beschichtung mit MTS-Dampf als reaktivem Gas hergestellt, das mit Wasserstoff als Fluidisierungsgas bei Kammertemperaturen um 1600 °C pyrolysiert wird.

FB-CVD TRISO Flusskontrolle

Die verschiedenen Gasdurchflussraten und Reaktionszeiten für die Erzeugung der vier Schichten variiert hängt von der Größe der Kernbrennstoffe ab und erhöht sich bei Verwendung größerer Partikel. Durchflussraten und Reaktionszeiten ändern sich auch je nach verwendetem Gas, der Größe des Systems und den Druck- und Temperaturbedingungen. Daher ist eine genaue und wiederholbare Steuerung des Gasflusses von entscheidender Bedeutung, um die Prozesseffizienz dieser Systeme zu maximieren und sicherzustellen, dass die TRISO-Kernbrennstoffe die Sicherheits- und Prozesstoleranzen erfüllen.

Alicat's MC-Serie von Gasmassenstromreglern ermöglichen eine genaue und wiederholbare Steuerung des Gasflusses in FB-CVD-Systemen.

• Genauigkeit bis zu 0,8% vom Messwert und ±0,2% vom Endwert
• Reproduzierbarkeit (2σ) bis zu ±0,2% vom Messwert + 0,02% vom Endwert
• Regelung innerhalb von 0,01-100% des Skalenendwertes von nur 0,5 SCCM bis hin zu 5000 SLPM Skalenendwert

Während die Gase Wasserstoff, Acetylen und Argon für Gasmassendurchflussregler der MC-Serie geeignet sind, eignet sich Propylen besser für einen MCS-Serie das eine höhere Korrosionsbeständigkeit bietet. Diese antikorrosiven Gasdurchflussregler verwenden medienberührte Materialien aus Edelstahl für eine bessere Kompatibilität mit korrosiven Gasen.

• Genauigkeit bis zu ±0,8% vom Messwert und ±0,2% vom Endwert
• Reproduzierbarkeit bis zu ±0,2% vom Skalenendwert
• Steuerung von Durchflussraten zwischen 0,5 SCCM und 5000 SLPM (Skalenendwert)
• 1-100% Skalenendwert Regelbereich