DE1937516A1 - Sauerstoffdichtemesser fuer Fluessigmetalle - Google Patents

Description

Patentanwalt· WpL-lng. R. BMtZ U. 81-14 ..78OP 23.7.1969

Dipl.-Ing. Lamprecht MOfIdMn 22.8t«lmdeifllr. 1·

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Sauerstoffdichtemesser für Iflüssigmetalle

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung der Konzentration von Oxyden (Natriumoxyd usw·), die in einem Flüssigmetall enthalten sind, insbesondere in einem Flüssigmetall auf der Grundlage von Natrium oder Kalium (im folgenden soll die Erfindung für flüssiges Natrium erläutert werden)·

Wenn die Oxydkonzentration in geschmolzenem Natrium ansteigt, treten unerwünschte Effekte auf, ζ·Β· eine Korrosion des Behälters und dessen Rohrleitungen, mit denen das geschmolzene Natrium in Berührung steht, oder ein Zusetzen einer Leitung· Insbesondere in einem Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung rufen die Oxyde in verschiedenen Einrichtungen des Reaktors eine Korrosion hervor, so daß der Reaktor gelegentlich außer Betrieb gesetzt wird· Daher ist es üblich, das Natrium durch Entfernen der in ihm enthaltenen Oxyde zu reinigen, nachdem die Sauerstoffkonzentration in dem geschmolzenen Natrium gemessen worden ist·

Als Sauerstoffdichtemesser für Natrium wird ein Zus^bzmeßgerät verwendet· Dieses Meßgerät wird für Natriumkreisläufe wegen seiner hohen Zuverlässigkeit und leichten Wartung weitgehend verwendet· Das Zusetzmeßgerät kann jedoch die

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Sauerstoffkonzentration in geschmolzenem Natrium nur messen, nachdem eine enge Leitimg für das geschmolzene Matritun mit einem Oxydniederschlag zugesetzt worden ist, der in der Leitung bei Abkühlung des geschmolzenen Hatriums erzeugt wird, wobei der Oxydnieder schlag durch Erwärmen nach, der Messung wieder geschmolzen wird, so daß ein Strom -von geschmolzenem Natrium wieder durch diese Leitung strömt. Daher ist es bei der Verwendung eines Zusetzmeßgeräts bei einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung wie einem Kernreaktor nicht nur schwierig, kontinuierlich die Oxydmenge in einem Kühlmittel zu messen, das kontinuierlich, durch den Reaktorkern strömt, sondern die Messung selbst ist auch kompliziert·

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Säuerstoffdichtemesser für flüssige Metalle anzugeben,, mit dem insbesondere in einem Kernreaktor eine kontinuierliche Messung vorgenommen werden kann. Dieser Dichtemesser soll auch eine höhere Meßgenauigkeit für die Messung der Sauerstoffkonzentration haben, ferner einfach im Aufbau und im Betrieb sein sowie automatisch arbeiten·

Der Sauerstoffdichtemesser gemäß der Erfindung hat zwei Leitungen, die getrennte Kanäle mit "Fereciiiedener Querschnittsfläche bilden, um einen einzigen Strom von Flüssignatdum durchströmen zu lassen, und an die Leitungen angeschlossene Elektroden, wobei ein Magnetfeld um die Leitungen erzeugt wird, so daß ein auf dem Fleming" ßcfeen. Gesetz beruhender Strömungsmesser gebildet wird· Bas duxcn die beiden getrennten Kanäle strömende geschmolzene Hatarium wird gekühlt, so daß der Strom des geschmolzenen. ff atriums, der durch jeden der Kanäle strömt, einem Strömungswiderstand ausgesetzt ist, der durch das im geschmolzenen matrix» ausgefällte Oxyd erzeugt wird. Dieser Strömungswiderstand ändert sich mit der Menge des ausgefallenen Oxyde und der Querschnitt β fläche des Kanals· Daher kann durch Einspeisung eines Signals, daß eine Strömungswiderstandsdifferenz zwischen den beiden

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Kanälen darstellt, und eines Signals, das die Temperatur des geschmolzenen Satriums im Zeitpunkt der Messung der Strömungswiderstände angibt, in eine Schaltung, in der die Beziehung zwischen der bekannten Strömungswiderstandsdifferenz und der bekannten Seiaperatur vorher gespeichert worden ist, die im geschmolzenen natrium vorhandene Oxydmenge sofort angezeigt werden.

Die Erfindung bedient sich also zur Messung der im geschmolzenen Matrium vorhandenen Oxydmenge der Messung der Strömungswiderstandsdifferenz zwischen den beiden Kanälen_e Deshalb brauchen vorteilhaft-erweise die Kanäle nicht zugesetzt zu werden, sondern die Oxydmenge im geschmolzenen Natrium kann bei Aufrechterhaltung der Strömung des geschmolzenen Metalls gemessen werden, so daß eine kontinuierliche Messung ermöglicht wird.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang Linie I - I von Fig. 1;

Fig. 3 den Umriß eines anderen Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild der prinzipiellen Heßschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 1;

Fig. 6 eine genauere Ansicht eines Teils von 5i

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Fig. 7 ein Blockschaltbild einer praktischen Ausführung der Meßschaltung gemäß der Erfindung;

Fig· 8 die Sättigungslöslichkeit von Sauerstoff in Natrium in Abhängigkeit von der Temperatur·

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Außenrohr 13 zwischen Leitungen 11 und 12 geschaltet, die einen Ableitungskanal für Natrium von einem Kühlsystem oder dergleichen eines Kernreaktors bilden, und im Innern des Außenrohrs 15 befindet sich ein Innenrohr 14- mit nach außen aufgeweitetem Ende 15·

Elektroden 16 und 16* sind an das Außenrohr 13 und Elektroden 17 und 17' an das Innenrohr 14- angeschlossen· Diejenigen Abschnitte der Elektroden 17 und 17',die in den durch das Außenrohr 13 gebildeten Natriumkanal sich erstrecken, sind durch Elektrodenisolierhülsen 18 bzw· 18* abgeschirmt· Ein Magnet 19 befindet sich außerhalb des Außenrohrs 13 senkrecht zu den Elektroden 16, 16' und 17, 17', um ein Magnetfeld zu erzeugen· Am Vorderende des Außenrohrs 13« d.h. dem zum .Innenrohr 14 stromaufwärts gelegenen Ende, ist eine Kühleinrichtung 29 vorhanden, um geschmolzenes Natrium zu kühlen, das von der Leitung 11 in das Außenrohr 13 strömt·

Es ist also ersichtlich, daß ein Natriumkanal 21 durch das Innenrohr 14 und ein davon getrennter Natriumkanal 20 zwischen dem Außenrohr 13 und dem Innenrohr 14 ausgebildet ist· Sie Querschnittsfläche des Kanals 20 ist größer als die des Kanals 21. ■

Zwischen den Elektroden 17 und 17' befindet sich ein Thermoelement 30·

In Fig. 3 ist ein anderes Aueführungsbeispiel dee Sauerstoff dicht erne ssers gemäß der Erfindung abgebildet, bei dem sich ein weites Innenrohr 114 in einem Außenrohr 113 befindet,

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so daß eich die Außenfläche des Innenrohrs 114 in nur kurzem Abstand von der Innenfläche des Außenrohrs 113 befindet, weshalb Kanäle 121 und 122 so gebildet sind, daß die Querschnittsfläche ersteren Kanals beträchtlich kleiner als die letzteren Kanals ist. Eine derartige Anordnung löst ebenfalls die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Fig. 4 zeigt das Prinzip der Meßschaltung gemäß der Erfindung· Eine zwischen den Elektroden 16 und 16* erzeugte elektromotorische Kraft E wird in ein Voltmeter 22 eingespeist, während eine zwischen den Elektroden 1? und 17* erzeugte elektromotorische Kraft e in ein Voltmeter 23 eingespeist wird. Sie Voltmeter 22 und 23 sind an eine Rechensohaltung 25» die eine Natriumsättigungslöslichkeitskurve speichert, über einen Spannungsabgleicher 24 angeschlossen.

Sie Rechenschaltung 25* die die Natriumsättigungslöslichkeitgkurve speichert, ist mit einem Voltmeter 28 für das Ausgangssignal des Thermoelements verbunden, so daß ein einen ließwert des Thermoelements darstellendes Signal in die Rechenschaltung eingespeist wird· Auf diese Weise wird die Rechenschaltung 25 mit einer Spannungsdifferenz von den Voltmetern 22 und 23 und dem einen Meßwert des Thermoelements darstellenden Signal versorgt· In der Rechenschaltung wird aus diesen Signalen die Sauerstoffkonzentration unter Zugrundelegung der bekannten Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz und der Natriumtemperatur, die vorher in der Rechenschaltung 25 gespeichert worden sind, berechnet, und ein diese Sauerstoffkonzentration darstellendes Signal wird in einen Verstärker 26 eingespeist, wo das Signal auf eine Spannung oder einen Strom verstärkt wird, di· bzw· der zur Aufzeichnung oder Anzeige durch eine Registrier- oder Anzeigeeinrichtung 27 erforderlich ist.

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Die Natriumsättigungslöslichkeitskurve entsteht durch Auftragen der Punkte, bei denen das Oxyd im geschmolzenen Natrium ausfällt, als Beziehung zwischen der Sauerstofflöslichkeit (p.p.m·) im geschmolzenen Natrium und der Natriumtemperatur (⁰C), wie in Fig, 8 abgebildet/ist.

Das geschmolzene Natrium strömt aus der Leitung 11 durch die Kanäle 20 und 21 (oder 120 und 121), und die Spannungen E und e proportional zu den Durchflußmengen in den zugehörigen Kanälen werden zwischen den Elektroden 16, 16' und 1.7» 17' (oder 116, 116' und 117, 117¹) erzeugt. Diese beiden Spannungen werden vorher durch den Spannungsabgleicher 24 bei normalem Natriumdurchfluß abgeglichen, wenn das geschmolzene Natrium durch die Kühleinrichtung 29 gekühlt wird, wird das geschmolzene Natrium mit Natriumoxyd gesättigt, und Natriumoxyd fällt aus dem geschmolzenen Natrium aus. Dabei strömt das geschmolzene Natrium durch die getrennten Kanäle 20 und (oder 120 und 121) mit dem darin enthaltenen Natriumoxyd· In diesem EaIl tritt ein größerer Strömungswiderstand im Kanal (oder 120) als im Kanal 20 (oder 121) auf, so daß der Durchfluß in ersterea Kanal abnimmt. Die so erzeugte Durchflußmengendifferenz zwischen den beiden Kanälen wird zu dem Spannungsabgleicher 24 in Form einer Spannungsänderung übertragen, so daß der abgeglichene Zustand des Spannungsabgleichers 24 aufgehoben und ein« unsymmetrische Spannung erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine ia Thermoelement 30 erzeugte elektromotorische Kraft in die Hechenschaltung 25 eingespeist, in der die NatriuMeättigungslöslichkeitskurve vorher gespeichert worden ist, um die Natriumoxydlöslichkeit zur Aufzeichnung oder Anzeige zu berechnen. Wenn z.B. die Temperatur des geschmolzenen Natriums 250 ⁰C zu einem Zeitpunkt beträgt, bei dem die unsymmetrische Spannung durch Kühlen des geschmolzenen Natriums erzeugt wird, beträgt di· Sauerstofflöslichkeit im geschmolzenen Natrium etwa 65 p.p.m·, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist.

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Gemäß Fig· 5 ist das Innenrohr 214 am Außenrohr 215 durch radiale Halteplatten 215 gesichert. Wenn der Innendurchmesser des Außenrohrs 34 mm beträgt, kann der Innendurchmesser des Innenrohrs 10 mm groß sein.

Obwohl in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sowohl das Innenrohr 214 als auch das Außenrohr 213 Zylinderform haben, ist der Yerlauf dieser Rohre nicht auf die Zylinderform beschränkt, wie aus der folgenden Überlegung ersichtlich

Theoretisch lautet die Gleichung des elektromagnetischen Durchflußmessers:

E « E₁ « E₂- K, - B · ν - d · 10"⁵C^aVJ·

Babel bedeuten:

Es Durehfluß-EMK QmV]

Bs magnetische Induktion {_GaussJ

v: Durchflußgeschwindigkeit Qm/secJ

d: Innendurchmesser dee Rohre (_omj

E,., Kp, K,: konstante Koeffizienten.

Die obige Gleichung zeigt, daß die elektromotorische Kraft mit dem Innendurchmesser d des Rohrs zunimmt, was die Messung erleichtert und die Genauigkeit des Meßergebnisses erhöht. . Daher kann durch Ausbildung des Innenrohrs oder- des Außenrohrs oder beider Rohre mit ovaler Querschnittsfläche und bei Befestigung der Elektroden an den entgegengesetzten Enden der Hauptachse die Messung mit größerer Genauigkeit bei gleicher Durchf lußmenge vorgenommen werden.

Die Elektroden, werden am Außenrohr 213 und am Innenrohr angeschweißt, wie aus Fig· 6 ersichtlich ist. Die am Innenrohr 214 befestigte Elektrode 217 bat einen Hohlraum 231, durch den sich ein Thermoelement 230 erstreckt, wobei die Enden der

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"beiden Thermoelementdrähte fest am Boden des Hohlraums 131 angebracht sind. Der Hohlraum 231 ist mit einem Isolierstoff wie Magnesiumoxyd (MgO) oder Aluminiumoxyd (Al₂Oz) zur Isolierung zwischen den Teildrähten des Thermoelements 230 und der Elektrode 217 gefüllt.

üa soll jetzt anhand von Fig. 7 eine praktische Ausführung der Sauerstoffkonzentrations-Meßschaltung gemäß der Erfindung genauer beschrieben werden. Die an den entsprechenden Elektrodenpaaren erzeugten elektromotorischen Kräfte werden in Gleichspannungsverstärker 41 bzw. 42 eingespeist, deren Ausgangssignal einem Spannungsabgleicher 43 zugeführt wird, so daß die elektromotorischen Kräfte vor der Messung abgeglichen werden. Wenn eine unsymmetrische Spannung bei Kühlung des geschmolzenen Natriums auftritt,, wird ein Relais 44 betätigt* Das Relais 44 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 45 verbunden, so daß eine im Thermoelement 230 in der Elektrode 217 erzeugte elektromotorische Kraft durch die Anzeigeeinrichtung angezeigt wird. Die Anzeigeeinrichtung 45 hat eine gekrümmte Skala, die die Beziehung zwischen der Temperatur und der Löslichkeit von Sauerstoff in Natrium angibt.

Das Relais 44 ist auch mit einem Heizdraht 47 verbunden, der um Kühlrippen 46 gewickelt ist. Daher wird bei Betätigung des Relais 44 eine Spannung dem Heizdraht 47 zugeführt, um das geschmolzene Natrium zum gleichen Zeitpunkt zu erwärmen, wenn die elektromotorische Kraft des Thermoelements durch die Anzeigeeinrichtung 45 angezeigt wird. In diesem Fall wird die Temperatur des geschmolzenen Natriums nicht unmittelbar während der Messung der Sauerstoffkonzentration erhöht, sondern auf ihren Ausgangswert im Meßabschnitt erst nach Beendigung der Messung durch die Wärmekapazität der Kühlrippen zurückgeführt, um die nächste Messung zu ermöglichen. Der Heizdraht 47 ist an eine Stromquelle 48 über einen Heiz Stroms teil transformator angeschlossen«

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Sauerstoffdichtemesser für Flüssigmetalle, gekennzeichnet durch zwei getrennte Kanäle (20, 21; 120, 121) unterschiedlicher Querschnittsfläche, die stromaufwärts und -abwärts untereinander verbunden sind, durch eine stromaufwärts zu den Kanälen angeordnete Einrichtung (29) zur Kühlung des Flüssigmetalls, durch eine Einrichtung (16, 16¹, 17, 17'» 116, 116¹, 117» 117') zur Messung einer Strömungswiderstandsdifferenz zwischen den beiden Kanälen,, die durch das in dem Flüssigmetall ausfallende Metalloxyd verursacht wird, durch eine Einrichtung (30) zur Messung der Temperatur des Flüssigmetalls und durch eine Schaltung (25) zur Berechnung der Oxydmenge in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Flüssigmetalls zum Zeitpunkt des Auftretens der Strömungs-Widerstandsdifferenz (Fig. 1, 2; 3» 4).
2. 2. Sauerstoffdichtemesser nach Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet, daß ein Außenrohr (13» 113) und ein Innenrohr (14; 114), die die beiden getrennten Kanäle (20, 21; 120, 121) bilden, einen ovalen Querschnitt haben, und daß Elektroden (16₉ 16', 17, 17'i 116, 116¹, 117, 117¹) an dem Außen- und Innenrohr an den entgegengesetzten Enden der Hauptachse befestigt sind (Fig, 1, 2j 3)·
3. 3. Sauerstoffdichtemesser nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die beiden getrennten Kanäle (120, 121) durch ein Außenrohr (113) und ein in diesem angeordnetes Inaearolr (114) gebildet siadj, «ad ä&B die Qiaer-

   Easals (120) IsisiaGS¹ ale cli© ö©s dureJa, Sao Saaals (121) ist (ilg-o 5) ο _
4. 4. Sauerstoff dichtemesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung

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   der Strömungswiderstandsdifferenz Elektroden (216, 216¹, 217» 217*') aufweist, und daß die Einrichtung zur Messung der 'femperatur des Flüssigmetalls ein Thermoelement (230) hat, das sich in einen mit einem Isolierstoff gefüllten Hohlraum (231) in einer (217) der Elektroden erstreckt (Fig· 6).

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