DE1937516C - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration von Oxiden in einem Flüssigmetall - Google Patents

Description

I JiL- I ri:i.iiung hczielu ~ilIi auf emc-\ orrich:uiig zur durch eine Einrichtung /um Kiev.en di-i '-,iiomuugs-

k.iii!ir...:erlivher; Messung der Konzentration von vwderstandsdifle-renz zv.im hen «i ■ -11 Ina,ten Kanali.-ri,

()>:Jl-i· ',·:. cüiciii Hii-sigmeul! mit zwei getrennten dir durch das in dein i 11J ■. .ipneiall a,i -.lailende. Mc-UiII-

K.i;';altn unier^hiedlichc-r Querschniiisfläche. die oxid verursacht v.ird. und dun Ii ι-iin: ','.haltung /urn

ιΐΓ'■""i.i.if.säris und -abwärts miteinander verbunden j Berechnen der Oxidint-iij-'i: im AUiaii('i)-4<-ii von der

>;nJ. einer -tronuufwäris zu den Kanälen angeordne- gemessenen Temperatur de. Hu:-M|-M.-ielalh /i,!ii Zeit-

ten 1- ii,riL ■■ tL.:;g zur Kühlung des Flüssigmetalls und punkt des Auftrete,!· de ι Μι ■ nMuiiti'.v.idc-rstan'! -.-

einer Einr^hum·: zum Messen der Temperatur des difTerenz.

Fk.-s;gnvet.:lh. Gemäß der Eriinduni? v.iid /in Μ'.:·Λΐιΐιμ du: I .!ΐ-ί J;e Erfindung bezieht sich insbesondere auf Flüssig- jo sache ausgenützt, dafJ die bei bejMiüiendcr O/.idaus-γ-.·::.:!1·. wie Natrium oder Kalium und wird im folgen- scheidung auftretende Dun lillu[',aii<ler;!n;> bei einem den f-.ir nüssiges ^'atrium erläutert. durch eine Rohrleitung hindiinliiielenden Natnum-

V. er. η die ί im ^konzentration in geschmolzenem strom eine Funktion des ! ellung.quer-.ehmü¹-. ist. N^ir:..:r. ar.s'.eigt. treten unerwünschte Effekte auf. Man kann also ein der bcj.'imn.-iidi.n Au'-Acheie-ung wie eine Korrosion von Behälter und Rohrleitungen i5 c-rusprcchcncks Signal erhalten, wenn man den Na oder ein Zusetzen enger Lc'tungsabschnitte. Insbeson- triumdurchfiuß in zwei Parallelleitungen von unterdere in Kernreaktoren mil rlüssigmetalikühlung füh- schiedlichem Querschnitt gleichzeitig überwacht. Daren die im Metall enthaltenen Oxide in verschiedenen bei kann eine Natriumströmung aufrechterhalten und Einrichtungen des Reaktors zu einer Korrosion, die eine kontinuierliche Messung durchgeführt werden, gelegentlich eine Stillegung des Reakiors erzwingt. Da- 20 Fur die automatische Kontrolle wird das erhaltene her ist es üblich, das Natrium durch Entfernen der in Signal zusammen mit einem Signal für die gleichzeitig ihm enthaltenen Oxide zu reinigen, wenn eine gewisse üben^achte Temperatur einer entsprechenden Rechen-Saucrsu.''konzentration im geschmolzenen Natrium schaltung zugeführt. Die erl'ndungsgemäße Messung festgestellt worden ist. erfolgt mithin kontinuierlich und automatisch auf

Als Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoff- 25 relativ einfache Weise und mit hoher Genauigkeit.

konzentration im Natrium wird ein sogenannter -Zu- An die Leitungen bzw. Kanäle werden insbesondere

setzanzeiger' verwendet, de. leicht zu warten ist und Elektroden angeschlossen und ein Magnetfeld um die

mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet. Leitungen erzeugt, so daß cm elektromagnetischer

Bei diesem Gerät wird das flüssige Metall vor oder Durchflußmesser gebildet wird.

bei seinem Durchtritt durch einen enger, Lei ingsab- 30 Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher

schnitt gekühlt, bis s..h nach entsprechender Über- erläutert werden. Es zeigt

schreitung der Löshchkeitsgrenze Oxidausscheidungen Fig- 1 eine schematische Ansicht eines Ausfuh-

biiden und die Leitung verstopfen. Nach Registrierung rungsbeispiels gemäß der Erfindung,

der zugehörigen Temperatur, mit deren Hilfe die ge- F i g. 2 eine Schnittansicht entlang Linie IT-II von

siu hie Oxidkonzentration aus der bekannten Löslich- 35 Fig. 1.

keiiskurve abgelesen werden kann, wird die Oxidaus- F i g. 3 den L'mriß eines anderen \usführungsbei-

scheid'.ing d.:rch Wärmezufuhr wieder in Lösung ge- spiels gemäß der Erfindung.

brau:, und die Anordnung ist dann bereit für eine F 1 g. 4 ein Blockschaltbild er prinzipiellen Meßneue Messung schaltung gemäß der Erfindung.

Geräte dieser Art haben den Nachteil, daß beim 40 Fig. 5 eine perspektivische Teilans.cht des Auszusetzen der Leitung eine Verringerung des Natrium- führungsbeispieh von Y 1 g. 1.

durehiuisscs durch den Kuhler und dahe^r momentan F ig 6 eine genauere Ansicht eines Teils von F 1 g. 5.

cmc· -ntensi jrc Kühlung erfolgt, so daß eine exakte Fig. 7 ein Blockschaltbild einer praktischen Aus-

{-rmiitlung der Sättigungstemperatur schwer zu er- führung der Meßschaltung gemäß der Erfindung.

reichen \A- \u- diesem Grunde wird gemäß der briti- 45 F 1 g. S die Sättigungslösliehkeit von Sauerstoff in

sehen Patentschrift 1 085 633 parallel zu dem eigent- Natrium in Abhängigkeit von der Temper Hur.

liehen, engen Meßleitungsabschnitt ein Bvpaß mit Gemäß F i g. 1 und 2 ist cm Außenrohr 13 zwischen

relativ weitem Querschnitt vorgesehen, mit dessen Leitungen 11 und 12 geschaltet, die einen Ableitungs-

llilfc der Natriumstrom durch den Kuhler weitgehend kanal far Natrium von einem Kühlsystem od. de!,

aufrechterhalten wird, auch we^n sich die enge Meß- 5& eine¹- Kernreaktors bilden, und im Innern des Außen-

leiturg infolge von Oxidatisscheidungcn zusetzt. Auf rohrs 13 befindet sich ein innenrohr 14 mit nach außen

diese V. eise kann die Messung wesentlich erleichtert aufgeweitetem F nde 15.

und verbessert werden, das Meßprinzip bleibt jedoch Elektroden 16 und 16 sind an dps Außenrohr \2

erhalten und Flcktroden 17 und 17' an das Innenrohr 14 ange-

Bei kontinuierlich arbeitenden Einrichtungen wie 55 schlossen. Diejenigen Abschnitte der Elektroden Γ

Kernre.il toren i-t es nach diesem Prinzip nicht nrr und 17'. die in den durch das Außenrnhr >3 gebildete;

schwierig die < >\id;nenge im Kühlmittel k"iitinuier- Natnumkanal sich erstrecken, sind durch Elektroden

licli zu ims,en. sondern di·¹ Messimg selbst ist auch isolierhül.-c-n 18 bzw. 18' abgeschirmt. Ein Magnet Ii

k' inplizierl. h-.Tmdet sich außerhalb des Außenrohrs 13 senkrech

Ziel der I ''mdung ist daher eine Vorrichtung zur ^rjc zu den Hcktrodcn 16. 16' und 17. 17', um ein Magnet

Bestimmung der Oxidkon/cntration in flüssigen Me- feld zu erzeugen. Am Vorderende des Außenrohrs 13

(allen, die auf i-datr. einfache und automatisch zu d.h. dem zum Innenrohr 14 stromaufwärts gelegene!

st-, ernde Wer-, ν oi geiiomnun wird und !!r-be-.o-nderc Ende, ist eine Kühleinrichtung 29 vorhanden, um gc

fur kontinuierlichen Betrieb in Kernreaktoren ge- schmolzenes Natrium zu kühlen, das von der Leitung!

eignet ist. 65 in das Außenrohr 13 strömt.

!'!■ eifindiimrsgcmüßc ^Λ> ■ π i-.lituiig der eingangs !> jq .iko ersichtlich, daß ein Natnumkanal 2

gc'Njimt'.; '-.-rt /'·' kontinuierlichen Messung der ' >xid- durch das Innenrohr 14 und ein davon getrennte

\ op/i.ni rad' ■., m I hi·-agmet.illen ist gel· rnn/ci J.net Natriumkanal 20 zwischen dein Aiißenrohr 13 um

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dem Innenrohr 14 ausgebildet ist. Die Querschnitts- mengendif.'erenz /wischen den beiden Kanälen wird /η

flache des Kanals 20 ist größer als die des Kanals 21. dem Spannungsabgleicher 24 in Form einer Span-

Zwischen den Elektroden 17 und 17' befindet sich nungsänderung übertragen, so daß der abgeglichene

ein Thermoelement 30. Zustand des Spannungsabgleichers 24 aufgehoben und

In Γ i g. 3 ist ein anderes A.usführungsbeispid des 5 eine unsymmetrische Spannung erzeugt wird. Zu Sauerstoffdichtemccsers gemäß der Erfindung ubge- diesem Zeitpunkt wird eine im Thermoelement 30 erbildet, bei dem sich ein weites Innenrohr 114 in einem zeugte elektromotorische Kraft in die Rechensehal-A'ißenrohr 113 befindet, so daß sich die Außenfläche tung 25 eingespeist, in der die Natriumsättigungslosdes Innen.Ohrs 114 in nur kurzem Abstand von der lichkeitskurve vorher gespeichert worden ist, um die Innenfläche des Außenrohrs 113 befindet, weshalb io Natriumoxidlöslichkeit zur Aufzeichnung oder AnKanäle 120 und 121 so gebildet sind, daß die Quer- zeige zu berechnen. Wenn z. B. die Temperatur des geschnittsfläche ersteren Kanals beträchtlich kleiner als schmolzenen Natriums 25O°C zu einem Zeitpunkt beilie letzteren Kanals ist. Eine derartige Anordnung trägt, bei dem die unsymmetrische Spannung durch löst ebenfalls die der Erfindung zugrunde liegende Auf- Kühlen des geschmolzenen Natriums erzeugt wird, gäbe. i₃ beträgt die Sauerstofflöslichkeit im geschmolzenen

F i g. 4 zeigt das Prinzip der Meßschaltung gemäß Natrium etv a 65 ppm, wie aus F i g. 8 ersichtlich ist.

der Erfindung. Eine zwischen den Elel troden 16 und Gemäß F i g. 5 ist das Innenror. 214 am Außen-

16' erzeugte elektromotorische Kraft E wird in ei.i rohr 213 durch radiale Halteplatten "Ί5 gesichert.

Voltmeter 22 eingespeist, während eine zwischen den Wenn der Innendurchmesser des Außenrohrs 34 mm

Elektroden 17 und 17' erzeugte elektromotorische 20 beträgt, kann der Innendurchmesser des Innenrohrs

Kraft e in ein Voltmeter 23 eingespeist wird. Die Volt- 10 mm groß sein.

m -te·- 22 und 23 sind an eine Rechenschaltung 25, die Obwohl in dem oben beschriebenen Ausführungscine Natriumsättigungslöslichkeitskurve speichert,über beispiel sowohl das Innenrohr 214 als auch das Außeneinen Spannungsabgleicher 24 angeschlossen. rohr 213 Zylinderform haben, ist der Verlauf dieser

Die Rechenschaltung 25, die die Natriumsättigungs- 25 Rohre nicht auf die Zylinderform beschränkt, wie aus löilichkeitskurve speichert, ist mit einem Voltmeter 28 der folgenden Überlegung ersichtlich ist:
für das Ausgangssignal des Thermoelements verbun- Theoretisch lautet die Gleichung des elektromagneden, so daß ein einen Meßwert des Thermoelements tischen Durchflußmessers:
darstellendes Signal in die Rechenschaltung einge- E ■-= K₁ ■ .K₂ · K₃ ■ B ■ ν · d ■ 10 ⁵ [mV].
speist wird. Auf diese Weise wird die Rechenschal- 3° Dabei bedeutet:
tung 25 mit einer Spannungsdifferenz von den Volt- E = Durchfluß-EMK [mV],
meiern 22 und 23 und dem einen Meßwert des Ther- B ---- magnetische Induktion [Gauß],
moelements darstellenden Signal versorgt. In der ν Durchflußgeschwindigkeit [m/sec].
Rechenschaltung wird aus diesen Signalen die Sauer- d — Innendurchmesser des Rohrs [cn],
stoffkonzentrat'on unter Zugrundelegung der bekann- 35 K_x. K₂, K₃ = konstante Koeffizienten.
ten Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz und Die obige Gleichung zeigt, daß die elektromotoridcr Natriumtemperatiir, die vorher in der Rechen- sehe Kraft mit dem Innendurchmesser ddes Rohrs zuschaltung 25 gespeichert worden sind, berechnet, und nimmt, was die Messung erleichtert und die Genauigein diese Sauerstoffkonzentration darstellendes Signal keit des Meßergebnisses erhöht. Daher icinn durch wird in einen Verstärker 26 eingespeist, wo das Signal 4o Ausbildung des Innenrohrs oder des Außenrohrs oder auf eine Spannung oder einen Strom verstärkt wird, beider Rohre mit ovaler Querschnittsfläche und bei die bzw. der zur Aufzeichnung oder Anzeige durch Befestigung der Elektroden an den entgegengesetzten eine Registrier- oder Anzeigeeinrichtung 27 erforder- Enden der Hauptachse die Messung mit größerer lieh ist. Genauigkeit bei gleicher Durchflußmenge vorge-

Die Natriumsättigungslöslichkeitskurve entsteht 45 nommen werden.

durch Auftragen der Punkte, bei denen das Oxid im Die Elektroden werden am Außenrohr 213 und am

geschmolzenen Natrium ausfällt, als Beziehung zv/i- Innenrohr 214 angeschweißt, wie aus F i g. 6 ersicht-

schen der Sauerstofflöslichkeit (ppm) im geschmol- lieh is* Die am Innenrortr 214 befestigte Elektrode 217

zenen Natrium und der Natriumtemperatur (C), wie hat einen Hohlraum 231, durch den sich ein Thermo-

in F i g. 8 abgebildet ist. 50 element 230 erstreckt, wobei die Ender, der beiden

Das geschmolzene Natrium strömt aus der Leitung Thermoclementdrähte fest am Boden des Hohlraums

Ii durch die Kanäle 20 und 21 (oder 120 und 121), und 231 angebracht sind. Der Hohlraum 231 ist mit einem

die Spannungen E und e proportional zu den Durch- Isolierstoff wie Magnesiumoxid (MgO) oder Alumi-

flußmengen in den zugehörigen Kanälen werden zwi- niumoxid (Al₂O₃) zur Isolierung zwischen den Teil-

schen den Elektroden 16, 16' und 17, 17' (oder 116, 55 drähten des Thermoelements 230 und der Elektrode

116' und 117, 117') erzeugt. Diese beiden Spannungen 217 gefüllt.

werden vorher durch den Spannungsabgleicher 24 bei Es soll jetzt an Hand von F i g. 7 eine praktische normalem Natriumdurchfluß abgeglichen. Wenn das Ausführung der SauerstofTkonzentrations-Meßschalgeschmolzene Natrium durch die Kühleinrichtung 29 tung gsmäß der Er^rindung genauer beschrieben wcrgekühlt wird, wird das geschmolzene Natrium mit 60 den. Die an den entsprechenden Elektrodcnpaaren cr-Natriumoxid gesättigt, und Natriumoxid fällt aus dem zeugten elektromotorischen Kräfte werden in Gleichgeschmolzenen Nairium aus. Dabei sUömt das ge- spannungsverstärker 41 bzw. 42 eingespeist, deren schmolzene Natrium durch die getrennten Kanäle 20 Ausgangssignal einem Spannungsabgleicher 43 /uge- und 21 (oder 120 und 121) mit dem darm enthaltenen führt wird, so daß die elektromotorischen Kräfte vor Natriumoxid. In diesem Fall tritt ein größerer Strö- 65 der Messung abgeglichen werden. Wenn eine urtiiiungswiderstand im Kanal 21 (oder 120) als im symmetrische Spannung bei Kühlung des gesclimol-Kanal20 (oder 121) auf, so daß der Durchfluß in zenen Natriums auftritt, wird ein Relais 44 betätigt, trsterem Kanal abnimmt. Die so erzeugte Durchfluß- Das Relais 4<1 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 45 wi-

blinden, so daß cine im Thermoelement 230 in der F^:.Ick!rodc 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 viii·, 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 Natriiim zum gleichen Zeitpunkt zu erwärmen, wenn die elektromotorische Kraft des Thermoelements durch die Anzeigeeinrichtung 45 angezeigt wird. In diesem lall 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 ao über einen Heizstromstelltransformator 49 angeschlos

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration von Oxiden in einem Flüssigmetall mit zwei getrennten Kanälen unterschiedlicher Querschnittsfläche, die stromaufwärts und -abwärts miteinander verbunden sind, einer stromaufwärts zu den Kanälen angeordneten Einrichtung zur Kühlung des Flüssigmetalls und einer Einrichtung zum Messen der Temperatur des Fl
metalls, gekennzeichnet durch eine Hinrichtung (16, 16', 17. 17'; 116. 116', 117, 117} zum Messen der Strömungswidcrstandsdifferenz zwischen den beiden Kanälen, die durch das in dem Flüssigmetall ausfallende Metalloxid verursacht wird, und durch eine Schaltung (25) zum Berechnen der Oxidmenge in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Flüssigmetalls zum Zeitpunkt des Auftretens der Strömungswidcrstandsdifferenz.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden getrennten Kanäle (20, 21; 120, 121) aus einem Außenrohr (13, 113) und einem Innenrohr (14, 114), welche einen ovalen Querschnitt haben, gebildet werden, und daß die Elektroden (16, 16', 17, 17'; 116, 116', 117, 117'; 216, 216', 217. 217') des Strömungswiderstandsmessers an dem Außen- und Innenrohr jeweils diametral befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des zwischen, dem Außen- und Innenrohr gebildeten Kanals (120) kleiner als die des durch das Innenrohr gebildeten Kanals (121) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der Temperatur des Flüssigmetalls aus einem Thermoelement (230) besteht, welches sich in einem mit einem Isolierstoff gefüllten Hohlraum (231) in einer (217) der Elektroden befindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen