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Procédé et appareil pour produire des particules enrobées,
La présente invention concerne l'enrobage de matières et plus particulièrement l'application d'enrobages uniformes sur des particule.
D'une manière spécifique, l'invention concerne l'applica- tion d'enrobages de protection sur des particules de matières fissi- les qui servent de combustible pour des réacteurs nucléaires.
L'enrobage empêche le combustible de venir en contact avec le flui- de échangeur de chaleur et supprime ainsi lu réaction du combustible avec le fluide et la corrosion du combustible; l'enrobage améliore également la stabilité dimensionnelle des particules de combustible sous irradiation* D'une manière plus générale, l'invention concer- ne 1'enrobage de particules de tout type, en particulier l'enrobage
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de particules de :.uolybdne,oudetungsl,Pne pour les protéger contre l'oxydation ou 11 enroba.t$e de particules pour obtenir des surfaces chimique ou métallurgiques composites .
Le combustible auquel la présente invention supplique d'une manière spécifique comprend de l'uranium, du thorium,
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du :putoniU!1llleurs composés et alliages avec éventuellement ' de petites quantités d'autres uatieres com>ren<nt des oxydes, siliciures, carbures, nitrures, sulfures, etc.
L'enrobage est habituellement formé de matière ayant une faible section de capture de neutrons de sorte qu'il n'absorbe pas les neutrons qui produisent la réaction nucléaire. Ces
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'natives sont du zirconium'et ses ,'1llilles (2IF,CiLOY), 1 do l' alu.. minium, de l'acier inoxßuable, du b6i,yllium, du niobium, etc. et lours alliages. Lépaisseur ne l'enrobage est actuellement faible et peut descendre jusque quelques microns.
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Les particules à enrober sont h&bituelleaent sphériques ' , et de petit diwiètre., àé 80 à 200 mesh (4,x7'7 h 0,074 tuin).
Des partie. s enrobées de 150 à 180 mesh (0,099 à 0,083 mm) -sont très demandées et demande également des 9 a r w
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t i c u 1 e s p l,u S r 0 S ses, Ly a n t par exemple un diamètre allant jusqu'à 2/8 de pouce (6,4 mm) et plus.
Les parti- cules peuvent être produites par des procédés utilisant une tour
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de 3ron1.1lagt!1, par ues jota de plasma et ces p ooéà'B analogues# i lorsqu'il n'est pas essentiel que les particules soient j5i'u, , on peut recourir à des procèdes utilisant des broyeurs A boulets. ';
Un des avantages d'une particule enrobée est que dans ' un agrégat de ces particules, l'enrobage de chaque particule
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est place d'une faon précise là ob il.contribue à l'effet chimique ou nucléaire ou autre requis de l'agrégat. A cet effet, il faut que le rapport de la matière à>enrobage à la mat1èro enrobée soit régi partout avec précision.
De plus, pour supprimer un chaut-
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fage non uniforme à'un élément combustible composé de particules
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enrobées pendant une réaction ainsi que la formation résultante de points chauds dans le combustible, il est souhaitable que l'enro- bage soit d'une épaisseur uniforme sur toute la surface de chaque particule. La présente invention a pour but de procurer un procède et un appareil servant produire des particules de combustibles
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enrobées d'une couche ae matière d'épaisseur uniforme.
Suivant lesprocédés connus, on peut enrober des particules,
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par exemple d'une couche de niobiu.-a,en soumettant les particules ,à enrober dans un lit fluialsé à des halogénures et en recuisant les halogénures. j-Iais oti a constaté que ce procédé est impossible à appliquer pour des n;.,4tières ir.port:.ntes, telles que des alliages de zirconiun. Avec certaines ::.atière ù'enrob::6e, des produits de réaction chimiques et autres réagissent défavorablement avec la ;::8. tière à enrober. Pour certaines ratières d'enrobée, la température de réduction est supérieure à la température ae fusion de la matière à enrober de sorte que les particules fondent et s'agglomèrent pendant le processus d'enrobage.
On a déjà essayé d'enrober des matières telles que des alliages de zirconium en soumettant es particules à de la va- peur de la @atière d'enrobage dans une enceinte sous vide.
Un dépôt à partir d'une vapeur sous vide d o n n e j des enrobées dont les produits de réaction chimiques et/ou
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autres de la réduction aLissent défavorablement avec la xatiere à en.ro'aer ou lorsque 1, température de réaction est supérieure à la température de fusion de l'enrobée, 1,.ais on a constaté que les particules enrobées Le cette cozaportezit aes enrobées dont l'épaisseur ou l'uniforsité n'est pas constante j sur la totalité de la surft:.ce, CO:1Jr.e il le faut. De plus, des particules enrobées de cette unière tenuent à s'a.gglol'Jéror.
En outre, le dépôt d'un enrobage à partir d'une vapeur sous vide n'est pas très efficace car la vapeur d'enrobage tend à se diffuser dans tous les sens, tandis que les particules sont
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localisées dans une région ou l'autre de la vapeur. La vapeur de la ratière d'enrobage diffuse vers l'extérieur en substance
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dans une région conique dont la surface de la. matière a'erzrobüge qui: est vaporisée forme le sonnet. Il est habituellement difficile si pas impossible, dé maintenir les particules en suspension dans la région où la. vapeur circule d'une manière prédominante. par exemple, on a essayé d'enrober des particules en les déposant sur un plateau vibrant,au-dessus auquel la vapeur est produite.
On a constate que sous vide, la vapeur d'enrobage !
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rayonne depuis la source d'une'ruanière préaoainante au-dessus ; du plateau et qu'une petite .rtie srulerent de la vapeur se dépose sur @es particulespour lesenrober.
La présente invention a pour but d'éviter ces défauts des procédés connus et de procurer un procédé et un appareil
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pour produire des particules comportant des enrobages d'é9aisseur constante et uniforme avec une consommation efficace de la matière,
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d'enrobage. L'invention a également pour but cleiprocuver un appa- reil et un procédé pour produire des particules enrobées par dépôt
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de vapeur sur les particules., grâce auqucisles particules reçoivent leur enrobage dans des régions où la vapeur
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frappe efficnce: .ent les particules.
Suivant un ,rocéué ue l'invention pour produire des parti' cules enrobées d'une 'eiti' er e viiyorisable, on forme un plasma de la vapeur de la ;,1;:tière a-lenrobzige qui a ls force û'un soiide géoiétrique et on applique continuellement une force aux parti- cules dans un sens tel que les particules se déplacent dans le plasma.
D'une manière spécifique, suivant l'invention, on obtient aes particules enrobées.d'une couche de matière d'épaisseur uniforme en faisant tourner ou rouler les particules dans la vapeur de la matière d'enrobage. Suivant les particularités spécifiques .
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de .'.'invention, les particules sont déposées dans un récipientcoEpca tant une surface intérieure évasée vers le haut. On fait tourner
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la surface dans la vapeur de manière à obliger les particules rouler le long de la surface dans la vapeur. A mesure que les particules roulent, la vapeur se condense sur leur surface exposée et produit un enrobage uniforme.
La source de la vapeur peut être logée profondément dans le récipient de sorte quelavapeurrayomedela
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sourcévers la paroi du récipient ou elle frappe les particules qui remontent le long ce la surface de cette paroi. La surface du récipient tournant peut être refroidie pour supprimer la fusion
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des particules ou peut être chaufféecorire il le fa.ut, Pour que . les particules puissent rouler plutôt que glisser, le coefficient de friction de la surface pour cette entière des particulos doit être élevé. Suivant les particularités plus spécifiques
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de l'invention, cette surface doit etrerendue rugueuse.
Dans une situation typique, le récipient est entralné en rotation dans une chambre étanche -maintenue sous vide ou sous
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une atmosphère' inerte et la vapeur est fournie en vaporis ant1a !ratièrE d'enrobage dans la chambre. Cette vaporisation n'est pas limitée des métaux ou d'autres éléments atomiques. Les composés tels quel
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des oxydes z:±'tailiques peuvent être vaporisés à des fins d'enrobs:gci L'enrobage Fera être vaporisé en C11:...uff::nt la salière d'enrobée par résistance ou par inauction ou au moyen ci'un f.iscezu électroni- que. On peut utiliser un creuset lorsque celt est possible,pur exemple si lu matière est fonaue.
Ce creuset peut être en cuivre, en gri-zhite ou en céramique refroidi à ;.' ea.u, On utilise a'une Manière générale un'vide élevé pour favoriser la vaporisation de la matière d'enrobage et pour Maintenir sa pureté. La vapeur
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peut g4leruent être produite pr un arc forsé entre une électrode 'ne matière u'enrobage et une électrode coopérante également en matière ci'enrobage.
Par:'..! les avantages les plus importants ue l'invention, se trouvent les suivants :
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1. Elle se prête à un fonctionneaent soit continu, soit par lots, de sorte qu'il n'est plus nécessaire de rompre le vide
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et de démonter .l'appareil.
2. Les particules sont soumises à la vapeur de la matière d'enrobage sur un large angle solide comparé à l'angle disponible pour 'enrober aes particulesdans la technique connue,par exemple au moyen d'un plateau vibrant.
3. La matière vaporisée peut se trouver en dessous plutôt qu'au-dessus de la Matière à enrober, ce qui empêche la matière d'enrobage fondue de tomber sur la matière à enrober..
Pour bien comprendre l'invention ainsi qua la façon de -La Mettre en oeuvre, on se référera à la description donnée ci-,' après, à titre d'exemple,avec référence au dessin annexé,dans lequel: la Fie. 1 est une coupe longitudinale en substance sché- matique d'une:! forme $exécution de l'invention, et la Fig. 2 est une vue semblable à la Fig. 1 d'une variante de 7.'invention.
Les Fig. 1 et 2 sont des coupes médianes de l'appareil passant par l'axe central de cet appareil qui est symétrique d'une r-anière circulaire ou cylindrique autour de cet axe.
La Fig. 1 représente un appareil servant à enrober des particules 10, comprenant une chambic, étanche au gaz 70 comportant . undôme 72, un fond 74 et¯ un anneau d'étanchéité 76 qui est placé entre le dôine et le fonda des fins a'étanchéité. Une conduite 75 communique avec l'intérieur de la chambre et du gaz peut être soutiré de la chambre 72 ou introduit dans celle-ci par cette con-' duite.
Un bâti 77 est posé sur la base 74 et y est attaché 'et supporte un "transporteur"tournant pour les particules
10, qui est désigné par 78 et comprend un récipient conique 80 dont un prolongement formant arbre 82 traverse unalésage 84 ménagé dans le bâti 77. La surface intérieure au cône 80 aiverge ou s'évase vers l'extérieur depuis l'arbre
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82..L'arbre 82 tourillonne dans des paliers - 85 et 86 qui , coopèrent avec des collerettes extérieures 88 et 89
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d e 1 a r b r e . Une coaronne aentée 90 est placée en dessous du cône directement au-dessus de l collerette 89 et fait partie intégrante du cône 80,com,e le rrrontre le dessin.
Les aents de la couronne 90 engrènent les dents a'un pignon 92 qui est cale sur un arbre d'entraînement 94 qui traverse le bâti 77 et le fond 74. L'arbre 94 est supporté en place par une bague 96 et tourne '
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dans des paliers 7, 98 et 99. Cosuse le contre le dessin, la t t ,rotation de l'arbre d'entraînement 94 fait évideent tourner le transporteur 78.
Un creuser 100 est centré dans le transporteur 78 et
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es.t placé au-dessus ae sa base , Le creuset 100 esÉcnauff4 par un enroulement 102 logé en ses paroi intérieure et extérieure, Un support la# fixé ci. une gouttière 106 recevant les particules supporte le creuset. Le creuset 100 doit être suspendu aussi prés que possible au sorbet du cône 80. La gouttière 106 est fixée en place au oyen d'une charpente 105 qui se dresse sur le bâti 76.
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La gouttière 105 aoit être inclinée par rapport à la verticale et son extrémité droite, sur le dessin, doit se trouver à un niveau supérieur à son extrémité gauche.
Une conduite 108 qui communique avec la gouttière 106 s'étend au centre ue l'arbre 82 et pénètre dans le transporteur 78. Dans sa partie inférieure, la conduite 108 est raccordée à
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une conduite de sorti verticale 110 ':"41' unvalve Étanche avide 210. Cette vulve est f:Oüi.1.11W(:e par un solénotàe, Lu vulve est norsalement f err.a 1-s elle peut être ouverte pour évacuer les particules enrobées lorsqu'on , déterminé que le:: particules 10 oat été enrobées cO::'J..e il le f;u1. Pour effectuer cette détermina- ton, on .eut Fl'G1E:vel' périodiquement des échantillons d'essai .
Quand le cône 80 tourne, les part:.cules 10 sont déplacées par la force centrifuge vers le haut le long de sa surface intérieure. Lorsque les particules 10 atteignent le bord
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supérieur du cône 80, elles.passent dans lagouttière 106 et par la conduite 108 et reviennent dans le cône 80 aussi long- temps que la vanne 210 est fermée. Les particules sont ainsi soumises de façon répétée à une opération d'enrobage.Lorsque. la
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vanne 210 est ouverte, les particules sont évacuèea par une-con- duite 110 qui traverse le fond 74 et quioommunique avec la conduite! 108,
Deux autres conduites 112 et 114 pénètrent dans la chambre 70 par la partie supérieure du dôme 72.
La conduite 112 comporte un orifice de sortie centré au-dessus du creuset 100. Comme le montre le dessin, la conduite 112 comprend un tube extérieur 113 et un tube intérieur 115. On utilise
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ce système .pour introduire 1-u charge ue r..rtiér d'enrobage dans le creuset 100.
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La conduite Ild, qui traverse également le ",8e 72 ccr.:<.unique avec la gouttière 106 à son extrémité haute et sert ,1 dgale.,,,e.,it de conauite d'entrée pour les particules. Les particules
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10 descendeat dans la conduite 108 par gravité et remontent ensuite dans le sommet du cône 80.
L'appareil enrobeur de l'invention fonctionne de la façon suivante: l'arbre d'entraînement 94 est accouplé à une source de force motrice appropriée (non représentée)
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qui sert à faire tourner le tr4nsporteur 78. Les particules à enrober sont introduites dans la chambre 70 par la conduite
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114 et passent par la gouttière 106 et 1: conduite 108 au pied ou entrée du' cône 80 du transporteur tournant 78. Sous l'action de la force centrifuge, les particules remontent le long de la surface intérieure 79 du cône 80 . Pour supprimer tout
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glissement des p.rtic..les, le coefficient ae friction entre les particules et lr, surface intérieure du cône 80 doit être élevé. Afin d'augmenter cclcoefficient de friction, la surface intérieure du cône est rendue rugueuse.
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A l'extré1.1it& de sortieecoàodo à la périphérie 81 du cône J les particules passent pur aessus la bord du cône 80 et tombent dans la aoutt1ère 106 qui sert de collecteur. La cout- tiëre 106 est léeèretllent inclinée vers l'extrémité com.1iunicante do la conduite 108 de sorte que la circulation décrite plus haut peut être répétée où que les particules peuvent sortir de la chambre 70 par la Conduite 110, en passant par la vanne 210 lorsqu'elle est ouverte.
Pendant la circulation décrite des particules enrobées,
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- le creuset 100 est chauffé et charge alune aliantut1on do matière denrobae de sorte que ues vapeurs de ls. raatiére d'en- robage circulent dans le transporteur 78 en.contact Intime avec les particules,comme indiqué par les flèches 116. La vapeur cir- cule vers la surface du cône 80 où les particules sont réparties
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et frappent ainsi ea':ectiveû:nt et efficacement les particules.
La plaque supérieure 107 qui prolonge la gouttière 106 sert ue moyen pour dirige lu vapeur sur la surface intérieure du transporteur à cône tournant 80.
Quoique le creuset 100 soit représenté comme étant chauffé par résistance, il est clair quil peut être chauffé par induction par un arc électrique au moyen d'une électrode consumable, par un jet de plasma ou par un bombardement électroni- que. Quoique quelques particules seulement noient représentées dans le système à des fins représentatives, en fonctionnement nor-
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mal, la 8urfaointériem*79 liu transporteur 78 est évi.dt.:ant entièrement couverte par des particules en n:ouvement. On obtient ainsi une meilleure efficacité et une :..yd.iml.V1Ei uniformité' par papport à celles que l'on peut obtenir avec un appareil du type à plateau vibrant.
Dans certains cas, on peut trouver souhaitable
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Uleniober les particules au r-oyen d'un alliage et,alns ces case
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les conRtituants de l'alliage peuvent être vaporiaés 8éparéaëtH ou simultanément dans des creusets séparés maintenus à des te pératures différentes. Les particules 10 sont uniformément enrobée:
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par le procède parce quelles tournent ou roulent pans interruptiot dans la vapeur d'enrobage.
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Pour obtenir la tCMperature d'enrobage désirée pour enrober différentes entières, le cône 80 peut être chauffe ou refroidi. Le chauffage peut être effectué par des bobines d'in-
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duction qui encerclent le c8ne 80 et qui sont alïmentées de cou- rant d'intensité de fréquence voulue.
Le refroidis sérient peut être effectué en refoulant un gaz inerte par la conduite 75 contre la paroi du cône'80 ou en munissant ce.cône d'un système' de refroidissement d'eau. Dans ce dernier cas, le c8ne 80 peut être enferme dans une chemise de refroidissement dans laquelle.
11 tourne'dans 4es paliers étanches.
L'appareil représente sur la Fig.2 comprend également un cône 220 susceptible d'être entraîné en rotation par des pi-
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gnons 22S et 22. Mais dans'ce cas, les particules 10 sont Injec-1 tées par des goulottes 226 travérs,n' 1a plsq,ue supr.eura 228de feonêter, che et se terminant dans le sommet du cône 220. Comne sur la Figçl' le palier sur lequel s'effectue la rotation est creux.
Une baguet- to 230 de 'la Matière d'enrobage est introduite continuellement.
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à travers un joint d'étanohéité au vide (non.représenté) dans le palier et est vaporisé par unfuisceau électronique 232 émis par un générateur de faisceau 234 monté sur la plaque supérieure 228,Le générateur de faisceau 234 est pourvu du mécanisme d cyrtin et de focalisation habituel et le faisceau peut être pulsé
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et/ou animé d'un mouvesient oscillant sur là surface de la baguette zoo cornue il le faut.. Les mécanismes d'acaélériitian, de teocalisation ou d'oscillat'ion nécessaires peuvent également être sus" pendus dans le cône 220.
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Le cône 220 est entouré d'un serpentin conducteur 240 et peut être chauffé par du courant (par exemple à haute fréquence) transmis par le serpentin, ou être refroidi par du fluide de refroidissement circulant dans le serpentin 240. Le serpentin peut tourner avec le cône et peut être raccordé au fluide par des raccords étanches tournants, et à une source de courant électrique par un dispositif de commutation.
Les particules enrobées 10 passent par la conduite 242. Les particules passant dans la conduite 242 peuvent être remises en circulation pour être convenablement enrobées.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux détails d'exécution décrits auxquels des changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de s cadre.