用于三向同性颗粒的化学气相沉积涂层的多入口气体分布器的制作方法

相关申请

本申请要求2017年6月28日提交的题为“multi-inletgasdistributorforchemicalvapordepositioncoatingoftrisoparticles”的美国临时专利申请第62/252,014号和2018年6月25日提交的题为“multi-inletgasdistributorforchemicalvapordepositioncoatingoftrisoparticles”的美国非临时专利申请第16/017,291号的优先权的权益，出于所有目的，这些申请通过引用以其整体并入本文。

背景技术：

高温气冷核反应堆采用嵌入在石墨基质(其可以是球形(或“卵石”)或石墨块的形式)中的颗粒形式的核燃料(在本文中称为“核燃料颗粒”)。各个核燃料颗粒是涂覆的多层结构，该结构在中心具有被多层陶瓷和石墨材料包围的核燃料芯核。核燃料芯核可以由被缓冲层包围的可裂变氧化物(例如，uco、uo2、uc2、uo2/uc2或tho2/uo2)形成，该缓冲层可以包括诸如石墨之类的多孔碳材料。缓冲层容纳燃料芯核膨胀，并用作裂变气体的储存器。缓冲层被密实的内碳层(例如，热解碳层)包围。内碳层密封缓冲层并衰减放射性核素的迁移。内碳层被陶瓷层(例如，碳化硅或碳化锆层)包围。陶瓷层包含裂变产物，从而防止裂变产物迁移到芯核之外，并改善结构刚度。陶瓷层被也可以包含热解碳的外碳层覆盖。外碳层用作对裂变气体释放的进一步屏障。这种核燃料颗粒通常被称为三向同性(triso)燃料颗粒。triso燃料颗粒的多层结构已经在高温气冷反应堆(htgr)设计中进行了良好的测试，并且在极端温度条件下展现出非常好的保留裂变产物的性能。

可以在流化床化学气相沉积(cvd)反应器中将多层陶瓷和石墨材料应用到核燃料芯核。

制造triso燃料颗粒的一个问题涉及产量降低，这可能是由于流化床cvd反应器室内的“死区”引起的，在该“死区”处气流停止或停滞，使得triso燃料颗粒变得静止而不旋转。在这种流体化不充分的死区中，核燃料颗粒可能无法正确涂覆，从而导致缺层或缺陷层，因此降低了cvd工艺的产量。

技术实现要素：

各种实施例可以包括一种用于流化床化学气相沉积反应器的多入口气体分布器，所述多入口气体分布器可以包括分布器主体，所述分布器主体具有入口表面、与入口表面相对的出口表面以及侧周界表面。所述分布器主体可以包括多个入口，所述多个入口彼此均匀地间隔开，其中，所述多个入口从所述入口表面穿透所述分布器主体到达第一深度。所述分布器主体可以另外包括圆锥形孔，所述圆锥形孔在所述第一深度处连接到所述多个入口中的相应入口，并且从所述第一深度朝向所述出口表面延伸。可以在所述圆锥形孔的交点处在所述出口表面上形成顶点。

在一些实施例中，可以在所述圆锥形孔中的每个相邻的圆锥形孔的交点之间形成顶点脊。所述顶点脊可以在所述侧周界表面和所述顶点之间延伸。所述多个入口可以自所述出口表面的中心均匀地间隔开。可以在所述圆锥形孔中的至少一个与所述侧周界表面的交点处在所述出口表面的边缘上形成鞍部。可以在两个邻接的圆锥形孔相交但不与所述侧周界表面相交的所述出口表面上形成肩部。可以在所述圆锥形孔中的两个邻接的圆锥形孔与所述侧周界表面的交点处形成峰。所述分布器主体的总厚度可以在1.25英寸和2.30英寸之间。所述多个入口的所述第一深度可以为约0.25英寸。所述多个入口的外径可以为约7/64^th英寸。所述分布器主体的在其中心和所述侧周界表面之间的半径可以为约0.5英寸。所述分布器主体的外径可以在2.0英寸和6.0英寸之间。所述分布器主体的外径可以为约2.0英寸。所述圆锥形孔可以是直立圆形圆锥。所述直立圆形圆锥的内角可以在45°和55°之间。所述多入口气体分布器的截面的形状可以选自由以下组成的群组：圆形、三角形、方形、五边形、六边形或八边形。所述分布器主体可以由一种或多种材料形成，所述一种或多种材料形成选自由以下组成的群组：石墨、铝、钢、钛、合金钢、塑料或聚合物。

进一步的实施例可以包括一种流化床化学气相沉积反应器，所述流化床化学气相沉积反应器包括流化床室，所述流化床室配置为容纳流态化气体/蒸气；和多入口气体分布器，所述多入口气体分布器联接到所述流化床室。所述多入口气体分布器可以配置为通过所述多个入口接收所述流态化气体/蒸气，并且通过所述圆锥形孔将所述流态化气体/蒸气注入到所述流化床室中。

附图说明

并入本文中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的示例实施例，并且与以上给出的一般描述和以下给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。

图1是适用于各种实施例的流化床cvd反应器的透视图。

图2是根据各种实施例的与triso燃料颗粒一起使用的多入口气体分布器的侧视图。

图3是根据各种实施例的与triso燃料颗粒一起使用的多入口气体分布器的仰视图。

图4是根据各种实施例的与triso燃料颗粒一起使用的多入口气体分布器的虚线透视图。

图5是根据各种实施例的与triso燃料颗粒一起使用的多入口气体分布器的实体透视图。

图6是与triso燃料颗粒一起使用的多入口气体分布器的不同实施例的另一虚线透视图。

具体实施方式

将参照附图详细描述各种实施例。尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。对特定示例和实现方式的引用是出于说明性目的，而不旨在限制本发明或权利要求的范围。在不脱离本公开的范围的情况下，可以设计替代实施例。另外，本公开的公知元件将不详细描述或将省略，以免使得本公开的相关细节模糊。如本文所用，词语“约”是指可以在不影响所测量的特征或组件的功能的情况下变化+/-10％并且因此旨在被涵盖在指定尺寸的等效范围内的尺寸量。

各种实施例包括用于流化床cvd反应器室内的多入口气体分布器，该多入口气体分布器通过减缓潜在的死区来改善悬浮在流化床内的颗粒的涂层。气体分布器内的多个入口可以连接到发散的圆锥形表面，以使流态化气体/蒸气更好地分布。使用各自具有圆锥形形状的多个入口在较大尺寸的流化床cvd反应器室的直径(即，直径为6-10英寸的室)上提供更一致的流动，从而减缓了可能发生流化床悬浮不充分的死区。与常规流化床cvd反应器可实现的相比，在流化床cvd反应器室的整个直径上更好的悬浮可以促进死区的减少或消除、更高的生产率、更低的成本以及cvd涂覆颗粒质量的改善。

图1示出了流化床cvd反应器的示例。此图示出了triso燃料颗粒增强的流态化和涂层。如图所示，triso燃料颗粒206可以通过流过流化床cvd反应器200的气体悬浮在流化床室204中。可以在流化床室204中以批量工艺涂覆triso燃料颗粒206。通过将流态化气体/蒸气经由多入口气体分布器100注入流化床室204中，可以将triso燃料颗粒206从下方悬浮在流化床室204中。流态化气体/蒸气可以经由一个或多个供应管202供应给多入口气体分布器100。流态化气体/蒸气可以包括诸如氢气、氩气、乙炔、丙烯和甲基三氯硅烷(mts)之类的化合物。流态化气体/蒸气离开供应管202进入歧管(未示出)或进入单独的管(未示出)，以直接注入到多入口气体分布器100的入口中。

多入口气体分布器100可以包括分布器主体102，该分布器主体具有入口表面103和与入口表面103相对的出口表面105。另外，分布器主体102可以包括连接到形成在入口表面103上的多个入口中的相应入口的三个圆锥形孔114、116、118。三个圆锥形孔114、116、118可以从多个入口朝向出口表面105延伸并发散，并形成顶点120。在一些实施例中，多入口气体分布器100可以具有两个或多于三个的圆锥形孔。如图所示，圆锥形孔114、116、118可以分布在多入口气体分布器100上，以便在流化床室204的直径上大约均匀地分布流态化气体/蒸气。以这种方式，从三个圆锥形孔114、116、118流出的流态化气体/蒸气的分布可以减少或消除流化床室204内的死区，从而使得产生更高百分比的triso燃料颗粒206以在cvd工艺期间接收合适的涂层。

图2和图3示出了根据各种实施例的多入口气体分布器100的细节。多入口气体分布器100可以包括具有入口表面103、与入口表面103相对的出口表面105以及侧周界表面107的分布器主体102。多入口气体分布器100可以包括彼此均匀间隔开的多个入口104、106、108。在各种实施例中，多个入口104、106、108可以围绕入口表面103的中心对称地设置。在一些实施例中，多个入口104、106、108可以自入口表面103的中心沿着半径r1均匀地分布。半径r1可以在0.5英寸±0.25英寸的范围内，并且优选地在0.5英寸±0.0125英寸的范围内，如图3所示。

对于直径为两英寸的多入口气体分布器100，多个入口104、106、108可以通过以下步骤制造：钻出内径φ1在约0.015625英寸至约0.0625英寸的范围内的导向孔，然后钻通导向孔到最终直径为大约7/64^th英寸+/-1/64^th英寸。多个入口104、106、108可以是管状的并且以多种图案(诸如圆形、三角形、方形、五边形、六边形、八边形、多个径向行或其他多边形)围绕多入口气体分布器100定位。

位于分布器主体102的相对侧上的入口表面103和出口表面105可以由分布器主体102的侧周界表面107界定。侧周界表面107可以形成各种实体形状。例如，多入口气体分布器100的截面的形状可以是圆形(如图所示)、三角形、方形、五边形、六边形、八边形或其他优选的正多边形。侧周界表面107的外径(φ2)可以在2.0英寸±0.50英寸至约6英寸±0.50英寸的范围内。

如图2所示，在连接到或扩展到圆锥形孔114、116、118之前，多个入口104、106、108可以从入口表面103穿过分布器主体102延伸到入口深度d1(即，第一深度)。圆锥形孔114、116、118中的每个可以接合多个入口104、106、108中的相应一个入口，并且在内侧端具有其相同的内径φ1。圆锥形孔114、116、118从内侧端朝向出口表面105延伸时可以具有扩展的直径。入口深度d1可以在0.25英寸±0.125英寸的范围内，并且优选地在0.25英寸±0.0625英寸的范围内。分布器主体102的总深度d3可以在1.25英寸±0.5英寸的范围内，并且优选地在1.25英寸±0.25英寸的范围内。三个圆锥形孔114、116、118中的每个可以在预定深度d1处连接到多个入口104、106、108中的相应入口，并且扩展通过排放深度d2，该排放深度是总深度d3与入口深度d1的差。圆锥形孔114、116、118可以以圆锥角θ1朝向出口表面105向外延伸。圆锥角θ1可以在约40°至约60°的范围内，并且优选地在约45°至约55°的范围内。分布器主体102还可以具有形成在出口表面105上的与入口表面103的中心相对定位的顶点120。

图4和图5分别以虚线透视图和实体透视图示出了多入口气体分布器100。在这些图中，更容易看到分布器主体102的出口表面105上的顶点120。圆锥形孔114、116、118在分配器主体102的中心处的会聚可以产生在顶点120处交汇的顶点脊124、125、126。鞍部134、136、138也可以形成在圆锥形孔114、116、118与侧周界表面107的交点处，低于分布器主体102的总深度d3。鞍部134、136、138可以各自在出口表面105上形成在肩部144、145、146的相邻肩部之间延伸的拱形边缘。另外，可以在鞍部134、136、138之间(在该处，两个邻接的圆锥形孔相交(例如，116和118)，但也不与侧周界表面107相交)形成肩部144、145、146。肩部144、145、146可以是平面的和/或具有弯曲表面。

图4示出了多入口气体分布器100的虚线。多入口气体分布器100在所需压力和温度下在多个入口104、106、108处接收流态化气体/蒸气。流态化气体/蒸气可流过入口和圆锥形孔114、116、118，在这些圆锥形孔处，流态化气体/蒸气膨胀并被引导到流化床室(例如，图1中的204)中。圆锥形孔114、116、118可以相交以形成顶点120和顶点脊124、125、126。圆锥形孔114、116、118的相交配置可以促进从圆锥形孔114、116、118流出的流态化气体/蒸气的单独流的湍流混合。鞍部134、136、138还可以将流态化气体/蒸气流直接引导到流化床室204的壁。鞍部134、136、138可以改善沿着流化床室204的壁的混合。

图6示出了根据一些实施例的具有更深的分布器主体602的多入口气体分布器600。更深的分布器主体602可以具有更长的总深度d6，该深度在2.3英寸±0.5英寸的范围内，并且优选地在2.3英寸±0.25英寸的范围内。各种其他尺寸可以保持与参考图2至图4中的分布器主体102描述的尺寸相同或类似。圆锥形孔614、616、618可以以范围在约40°至约60°、并且优选地约45°至约55°的预定角度(例如，图2中的θ1)从多个入口104、106、108朝向出口表面605向外延伸。圆锥形孔614、616、618在更深的分布器主体602的中心处的会聚可以产生顶点脊624、625、626，这些顶点脊向上突出并在中央顶点620处终止。鞍部634、636、638也可以形成在圆锥形孔614、616、618与侧周界表面607的交点处，低于较深的分布器主体602的总深度d6。多入口气体分布器600可以包括由圆锥形孔614、616、618与侧周界表面607的交点形成的峰621、622、623。每个峰621、622、623可以由圆锥形孔614、616、618中的两个邻接的圆锥形孔与更深的分布器主体602的侧周界表面607的交点形成。在图6所示的示例中，可以在第一对圆锥形孔614、618之间形成第一峰621，可以在第二对圆锥形孔614、618之间形成第二峰622，并且可以在第三对圆锥形孔616、618之间形成第三峰623。第一峰621可以设置在第一顶点脊624、第一鞍部634和第三鞍部638的交点处；第二峰622可以设置在第三顶点脊626、第一鞍部634和第二鞍部636的交点处；并且第三峰623可以设置在第二顶点脊625、第二鞍部636和第三鞍部638的交点处。入口表面603和三个峰621、622、623之间的距离可以限定更深的分布器主体602的总深度d6。中央顶点620可以设置为比三个峰621、622、623更靠近多个入口104、106、108。在各种实施例中，更深的分布器主体602不需要包括形成在鞍部之间的肩部(例如，在图4至图5中形成在鞍部134、136、138之间的肩部144、145、146)。图6所示的多入口气体分布器600可以改善整个流化床室(例如，图1中的204)中的流态化气体/蒸气流的混合。

在各种实施例中，多入口气体分布器100、600可以由各种材料制成。特别地，多入口气体分布器100、600可以由石墨、铝、钢、钛、合金钢、塑料、聚合物或其他专用材料组成。圆锥形孔114、116、118、614、616、618可以配置为“直立圆形圆锥”表面。然而，在一些实施例中，圆锥形表面可以是倾斜、椭圆形、金字塔形或多边形的圆锥。

所公开实施例的以上描述被提供为使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明精神和范围的情况下本文限定的一般性原理可以应用于其他实施例。因此，本发明并不旨在限于本文所示的方面和/或实施例，而是应当被赋予符合以下权利要求书以及本文公开的原理和新颖特征的最宽泛的范围。