一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型實施例公開一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備。所述設備包括：石墨多孔氣體入口及中路氣體管道，所述中路氣體管道的一端設置于所述反應器內，用于將待裂解的氣體通入所述反應器中；主體內循環水套，用于冷卻所述中路氣體管道，其中，所述中路氣體管道穿插通過所述主體內循環水套。本實用新型實施例通過充分冷卻中路氣體管道，使得待裂解氣體的溫度低于裂解溫度，從而基本消除了中路氣體管道管壁的沉積產物，也減少了待裂解氣體入口處的沉積產物，能夠適應高溫條件下流化床化學氣相沉積反應器的長期和穩定的運行。
【專利說明】
一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及氣體入口設計領域，具體地，涉及一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備。
【背景技術】
[0002]我國球床式高溫氣冷堆所使用的陶瓷型燃料元件，結構為球形包覆顆粒(TRISO)，且彌散在燃料區的石墨基體中。高溫氣冷堆核電站的固有安全性的第一道保證就是所使用的核燃料為TRISO型包覆顆粒，直徑約為0.92mm，其由核燃料核芯、疏松熱解碳層、內致密熱解碳層、碳化硅層和外致密熱解碳層組成。這種具有四層復合結構的核燃料顆粒是在流化床中采用化學氣相沉積的方法包覆制備得到的。其中，最為關鍵的一層為碳化硅層，具有阻止裂變產物釋放的重要作用，該碳化硅層主要由甲基三氯硅烷(MTS)在1600攝氏度的高溫條件下裂解生成。保證該裂解-沉積工藝的穩定運行是TRISO型包覆顆粒制備成功的關鍵。
[0003]流化床化學氣相沉積包覆過程的特點是顆粒流化和氣體裂解沉積在高溫條件下同時進行，目前的氣體入口系統是將待裂解氣體直接通過單孔道通入反應器，缺點比較明顯，具體包括:
[0004](I)在包覆顆粒表面沉積的同時，氣體入口處的沉積也不可避免，在沉積反應的過程中，待裂解氣體在氣體入口處不斷沉積，氣體入口的管道內徑不斷減少，包覆顆粒流化狀態難以穩定維持，導致沉積過程不是一個穩定連續的過程，從而造成沉積層的性質在沉積過程中前后不均一;嚴重的時候，沉積產物甚至會將氣體入口完全堵死，導致氣體無法進入，沉積反應中斷，導致沉積厚度無法滿足工藝設計指標，從而產品作廢；
[0005](2)即使一次完整的沉積反應完成，制備出了密度和厚度均符合設計要求的碳化硅層。反應結束后，大量沉積產物附著在氣體入口，沉積產物很難完全去除，直接影響下一次沉積反應的過程；
[0006](3)如果無法完全去除氣體入口處的沉積產物，在下一次沉積反應時需要更換新的管道。具體地，需要將氣體入口系統的單孔金屬管道拆除，更換非常困難，且代價較高。
[0007]為保證流化床化學氣相沉積工藝的穩定運行，具體需要:
[0008](I)在流化-裂解-沉積反應過程中最大限度的減少氣體入口處的沉積產物；
[0009](2)在一次沉積反應結束后，下一次沉積反應之前，需要很容易地去除掉氣體入口處的沉積產物；
[0010](3)如果氣體入口處的沉積產物完全去除時孔口有損傷，需要以較少的代價且較容易更換氣體入口。
[0011]因此，特別需要一種適應于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備。
【實用新型內容】
[0012]本實用新型實施例的目的是提供一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備。所述設備通過充分冷卻中路氣體管道，使得待裂解氣體的溫度低于裂解溫度，從而基本消除了中路氣體管道管壁的沉積產物，也減少了待裂解氣體入口處的沉積產物，能夠適應高溫條件下流化床化學氣相沉積反應器的長期和穩定的運行。
[0013]為了實現上述目的，本實用新型實施例提供一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備。所述設備包括:中路氣體管道，所述中路氣體管道的一端設置于所述反應器內，用于將待裂解的氣體通入所述反應器中；主體內循環水套，用于冷卻所述中路氣體管道，其中，所述中路氣體管道穿插通過所述主體內循環水套。
[0014]可選地，所述主體內循環水套呈圓筒狀，且所述主體內循環水套內設置有水流隔板，使得冷水由所述主體內循環水套的內側流進，經所述主體內循環水套的頂端由所述主體內循環水套的外側流出。
[0015]可選地，所述主體內循環水套與所述中路氣體管道之間設置有間隔，以形成環路氣體冷卻通道。
[0016]可選地，所述中路氣體管道包括中路氣體主管和金屬短管，所述中路氣體主管和所述金屬短管之間采用螺紋連接在一起，且所述金屬短管的一端設置于所述反應器內。
[0017]可選地，所述中路氣體主管由不銹鋼制成。
[0018]可選地，所述金屬短管由金屬鉬或金屬鎢制成。
[0019]可選地，所述中路氣體主管與所述金屬短管的螺紋連接處低于所述主體內循環水套的頂端。
[0020]可選地，所述設備還包括:石墨隔熱套，與所述反應器和所述主體內循環水套連接，用于隔離所述反應器和所述主體內循環水套周圍的熱源。
[0021 ] 可選地，所述設備還包括:多孔石墨氣體分配器，設置于所述反應器的底部，用于使得所述環路氣體冷卻通道和所述中路氣體管道與所述反應器連通。
[0022]可選地，所述多孔石墨氣體分配器設置有多個均勻分布的環路孔道及中心孔道，所述環路孔道與所述環路氣體冷卻通道連通，所述中心孔道與所述中路氣體管道連通，且所述環路孔道與通過擠壓插入所述多孔石墨氣體分配器的中路氣體管道的外側壁面圓相切或相交。
[0023]通過上述技術方案，充分冷卻中路氣體管道，使得待裂解氣體的溫度低于裂解溫度，從而基本消除了中路氣體管道管壁的沉積產物，也減少了待裂解氣體入口處的沉積產物，能夠適應高溫條件下流化床化學氣相沉積反應器的長期和穩定的運行。
【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1是本實用新型一實施例的氣體入口設備的剖面示意圖；
[0026]圖2是本實用新型一實施例的氣體入口設備的多孔石墨氣體分配器的剖面示意圖；
[0027]圖3是圖2沿上端A-A’處的剖面示意圖；
[0028]圖4是圖2沿下端B-B’處的剖面示意圖；
[0029]圖5是本實用新型另一實施例的氣體入口設備的多孔石墨氣體分配器的剖面示意圖；
[0030]圖6是圖5沿上端A-A’處的剖面示意圖；
[0031]圖7是圖5沿下端B-B’處的剖面示意圖。
[0032]附圖標記說明
[0033]I主體內循環水套2水流隔板 3環路氣體冷卻通道
[0034]4中路氣體主管 5石墨隔熱套6多孔石墨氣體分配器
[0035]7噴動流化床 8金屬短管 9中心孔道 10環路孔道
[0036]11凸起12螺紋連接處
【具體實施方式】
[0037]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0038]圖1是本實用新型一實施例的氣體入口設備的剖面示意圖。如圖1所示，本實用新型一實施例的氣體入口設備包括:中路氣體管道，所述中路氣體管道的一端設置于所述反應器內，用于將待裂解的氣體通入所述反應器中；主體內循環水套I，用于冷卻所述中路氣體管道，其中，所述中路氣體管道穿插通過所述主體內循環水套I ο具體地，所述反應器為噴動流化床7。本實施例通過充分冷卻中路氣體管道，使得待裂解氣體的溫度低于裂解溫度，從而基本消除了中路氣體管道管壁的沉積產物，也減少了待裂解氣體入口處的沉積產物，能夠適應高溫條件下流化床化學氣相沉積反應器的長期和穩定的運行。
[0039]其中，所述主體內循環水套I的橫截面為環形，更為具體地，主體內循環水套I呈圓筒狀，而且所述主體內循環水套I內設置有水流隔板2，使得冷水由所述主體內循環水套I的內側流進，經所述主體內循環水套I的頂端由所述主體內循環水套I的外側流出，如圖1所示。這樣的結構設計使得主體內循環水套I具有兩層水冷，即內側水冷和外側水冷，從而保證了所述中路氣體管道的整體冷卻效果。
[0040]在具體的實施方式中，所述中路氣體管道包括中路氣體主管4和金屬短管8，所述中路氣體主管4和所述金屬短管8之間采用螺紋連接在一起，且所述金屬短管8的一端設置于所述反應器內。具體地，所述中路氣體管道分為兩段，即中路氣體主管4和金屬短管8，且所述中路氣體管道4的內徑和所述金屬短管8的內徑相同，而不會在所述中路氣體主管4和所述金屬短管8的螺紋連接處12的內壁形成凹凸處。優選地，所述中路氣體主管4由不銹鋼制成，易于加工。優選地，所述金屬短管8由金屬鉬或金屬鎢制成。藉此，所述金屬短管能夠長期在噴動流化床內的較高溫度下使用不會變形。
[0041]優選地，所述中路氣體主管4與所述金屬短管8的螺紋連接處12低于所述主體內循環水套I的頂端。藉此，能夠確保中路氣體主管被充分冷卻，從而減少了中路氣體主管管壁的沉積產物。
[0042]優選地，所述設備還包括:石墨隔熱套5，與所述反應器和所述主體內循環水套I連接，用于隔離所述反應器和所述主體內循環水套周圍的熱源。具體地，所述石墨隔熱套5的兩端設置有螺紋，所述石墨隔熱套5通過螺紋與所述噴動流化床7和所述主體內循環水套I連接，從而噴動流化床7、石墨隔熱套5以及主體內循環水套I能夠形成連接結實且不漏氣的整體。此外，石墨隔熱套5具有耐高溫的特性，能夠隔離所述噴動流化床7和所述主體內循環水套I周圍的熱源，保證了所述中路氣體管道的整體冷卻效果。
[0043]優選地，所述主體內循環水套I與所述中路氣體管道之間設置有間隔，以形成環路氣體冷卻通道3。具體地，所述環路氣體冷卻通道3可用于將輔助氣體通入所述噴動流化床
7。藉此，不僅能夠進一步冷卻中路氣體管道，而且還能夠流化噴動流化床中的核燃料顆粒。
[0044]優選地，所述設備還包括:多孔石墨氣體分配器6，設置于所述反應器的底部，用于使得所述環路氣體冷卻通道和所述中路氣體管道與所述反應器連通。具體地，所述噴動流化床7的底部設置有孔道和凸起11，使得所述多孔石墨氣體分配器6能夠恰好放入并卡住。更為具體地，所述多孔石墨氣體分配器6與所述噴動流化床7通過擠壓直接緊密接觸并被卡住。擠壓的力量來源于所述噴動流化床7和所述石墨隔熱套5之間的螺紋連接。多孔石墨氣體分配器6的孔口的沉積產物容易打磨去除，且所述多孔石墨氣體分配器6更換容易，非常經濟。此外，多孔石墨氣體分配器6具有耐高溫的特性，適應于噴動流化床7的高溫條件。
[0045]在具體的應用中，所述多孔石墨氣體分配器6設置有多個均勻分布的環路孔道10及中心孔道9，所述環路孔道10與所述環路氣體冷卻通道3連通，所述中心孔道9與所述中路氣體管道連通。其中，所述環路孔道10與所述環路氣體冷卻通道3連通，能夠使得由所述環路氣體冷卻通道3通入的輔助氣體通過多孔石墨氣體分配器6，從而冷卻所述多孔石墨氣體分配器6。
[0046]圖2是本實用新型一實施例的氣體入口設備的多孔石墨氣體分配器的剖面示意圖。圖3是圖2沿上端A-A’處的剖面示意圖。圖4是圖2沿下端B-B’處的剖面示意圖。如圖2、圖3以及圖4所示，所述多孔石墨氣體分配器6設置有8個均勻分布的環路孔道10和I個中心孔道9，其中，8個環路孔道的出口能夠構成一個圓形，8個環路孔道與所述環路氣體冷卻通道3連通，所述多孔石墨氣體分配器6的中心孔道9的內徑與金屬短管8的內徑相同，金屬短管8通過擠壓插入所述多孔石墨氣體分配器6。此外，所述環路孔道10與通過擠壓插入所述多孔石墨氣體分配器6的金屬短管8的外側壁面圓相切。藉此，能夠保證由所述環路氣體冷卻通道3通入的輔助氣體與金屬短管直接接觸，從而保證金屬短管的冷卻效果。
[0047]圖5是本實用新型另一實施例的氣體入口設備的多孔石墨氣體分配器的剖面示意圖。圖6是圖5沿上端A-A’處的剖面示意圖。圖7是圖5沿下端B-B’處的剖面示意圖。如圖5、圖6以及圖7所示，所述多孔石墨氣體分配器6設置有8個均勻分布的環路孔道10和I個中心孔道9，其中，8個環路孔道的出口能夠構成一個圓形，8個環路孔道與所述環路氣體冷卻通道3連通，所述多孔石墨氣體分配器6的中心孔道9的內徑與金屬短管8的內徑相同，金屬短管8通過擠壓插入所述多孔石墨氣體分配器6。此外，所述環路孔道10與通過擠壓插入所述多孔石墨氣體分配器6的金屬短管8的外側壁面圓相交。藉此，能夠保證由所述環路氣體冷卻通道3通入的輔助氣體與金屬短管直接接觸，從而保證金屬短管的冷卻效果。
[0048]通過上述實施例，使得中路氣體主管和金屬短管得以充分冷卻，中路氣體管道的管壁沉積產物基本消除，同時多孔石墨氣體分配器入口處的待裂解氣體的沉積產物大大降低，并且清理和更換容易，非常經濟，能夠適應高溫條件下流化床化學氣相沉積反應器長期和穩定運行的需要。
[0049]在具體的應用過程中，通過以下操作步驟來操作本實用新型實施例提供的氣體入口設備，從而使得噴動流化床的核燃料顆粒的表面通過沉積形成符合設計要求的碳化硅層:
[0050]1、檢查多孔石墨氣體分配器、金屬短管是否有沉積產物，如有，則去除、清理或者更換成新的元件；
[0051]2、將金屬短管安裝到中路氣體主管上；
[0052]3、安裝石墨隔熱套，確認石墨隔熱套與主體內循環水套連接結實不漏氣；
[0053]4、將多孔石墨氣體分配器安裝在金屬短管上，確保中路氣體管道通暢；
[0054]5、將噴動流化床從正上方緩慢螺旋擰入，與石墨隔熱套連接結實，同時將噴動流化床、多孔石墨氣體分配器、金屬短管三者擠壓結實；
[0055]6、檢查連接情況，中路氣體管道是否通暢等；
[0056]7、將氣體入口設備安裝至高溫加熱爐中，在主體內循環水套中通入冷卻水，在環路氣體冷卻通道通入輔助氣體，加溫，到設定溫度后從中路氣體管道通入待裂解氣體，開始沉積過程；
[0057]8、待核燃料顆粒沉積結束，將中路氣體管道中的待裂解氣體切換成輔助氣體，降溫，冷卻，直至室溫，取出核燃料顆粒，拆卸氣體入口設備；
[0058]9、從正上方依次拆卸噴動流化床、多孔石墨氣體分配器、石墨隔熱套、金屬短管，檢查沉積狀況，清理，等待下一次沉積實驗。
[0059]為了更明確本實用新型實施例提供的氣體入口設備最終達到的效果，將本實用新型實施例提供的氣體入口設備用于1600攝氏度條件下甲基三氯硅烷氣體裂解制備碳化硅層的沉積實驗，共進行了2小時，實驗過程平穩，中路氣體管道穩定供給待裂解氣體，無堵塞現象發生。實驗結束后，拆除本實用新型實施例提供的氣體入口設備發現金屬短管完好，沉積層基本不存在，稍加清理即可重復使用，多孔石墨氣體分配器的入口處有少許沉積產物，可很容易的打磨去除，從而可以重復利用。其他部件均完好，可重復利用。
[0060]以上結合附圖詳細描述了本實用新型的優選實施方式，但是，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思范圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實用新型的保護范圍。
[0061]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本實用新型對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0062]此外，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。
【主權項】
1.一種用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述設備包括: 中路氣體管道，所述中路氣體管道的一端設置于所述反應器內，用于將待裂解的氣體通入所述反應器中； 主體內循環水套，用于冷卻所述中路氣體管道， 其中，所述中路氣體管道穿插通過所述主體內循環水套。2.根據權利要求1所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述主體內循環水套呈圓筒狀，且所述主體內循環水套內設置有水流隔板，使得冷水由所述主體內循環水套的內側流進，經所述主體內循環水套的頂端由所述主體內循環水套的外側流出。3.根據權利要求1所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述主體內循環水套與所述中路氣體管道之間設置有間隔，以形成環路氣體冷卻通道。4.根據權利要求1所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述中路氣體管道包括中路氣體主管和金屬短管，所述中路氣體主管和所述金屬短管之間采用螺紋連接在一起，且所述金屬短管的一端設置于所述反應器內。5.根據權利要求4所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述中路氣體主管由不銹鋼制成。6.根據權利要求4所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述金屬短管由金屬鉬或金屬鎢制成。7.根據權利要求4所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述中路氣體主管與所述金屬短管的螺紋連接處低于所述主體內循環水套的頂端。8.根據權利要求3所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述設備還包括: 石墨隔熱套，與所述反應器和所述主體內循環水套連接，用于隔離所述反應器和所述主體內循環水套周圍的熱源。9.根據權利要求8所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述設備還包括: 多孔石墨氣體分配器，設置于所述反應器的底部，用于使得所述環路氣體冷卻通道和所述中路氣體管道與所述反應器連通。10.根據權利要求9所述的用于流化床化學氣相沉積反應器的氣體入口設備，其特征在于，所述多孔石墨氣體分配器設置有多個均勻分布的環路孔道及中心孔道，所述環路孔道與所述環路氣體冷卻通道連通，所述中心孔道與所述中路氣體管道連通，且所述環路孔道與通過擠壓插入所述多孔石墨氣體分配器的中路氣體管道的外側壁面圓相切或相交。
【文檔編號】C23C16/32GK205556774SQ201620140257
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年2月24日
【發明人】劉馬林, 劉榮正, 邵友林, 常家興, 劉兵, 唐亞平, 張秉忠, 楊冰, 朱鈞國
【申請人】清華大學