DE1951919B2 - Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, insbesondere eines zur Kühlung eines Kernreaktors dienenden flüssigen Metalls, bei der ein von einem Dauermagneten erzeugtes Querfeld sowie ein Elektrodenpaar in der Wandung des Strömungskanals zur Abnahme der senkrecht dazu entstehenden, von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Spannung vorgesehen ist. Diese Spannung entsteht also durch die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld. Solche Einrichtungen sind beispielsweise beschrieben im »Liquid-Metals Handbook« TiD 5277 vom 1. Juli 1955 der Atomic Energy Commission, Washington, Seite 341 ff. Für die Bereitstellung des Magnetfeldes dient hier ein *>o Permanentmagnet, der außerhalb der die Strömung führenden Rohrleitung angeordnet ist. Eine solche Anordnung des Magneten ist insbesondere bei ortsbeweglichen Durchflußmessern zweckmäßig.

Aus der DAS 1119 528 ist weiter ein elektromagnet!- ^ scher Strömungsmesser bekanntgeworden, bei dem das Magnetfeld durch unlösbar im Inneren der Rohrleitung befestigte Erregerspulen erzeugt wird.

Schließlich schlägt die britische Patentschrift 1108 149 die Verwendung eines magnetischen Strömungsmessers für einen mit Natrium gekühlten Kernreaktor vor. Das Meßsystem arbeitet nach dem Prinzip eines Nebenschlußgenerators und befindet sich in einer ringförmigen Kapsel innerhalb der Strömung. Es wird somit nur die Strömungsgeschwindigkeit eines Kleinen Teilstromes gemessen, die Hauptströmung geht unerfaßt außen vorbei. Über die Anordnung solcher Meßstellen im Reaktorkühlkreislauf wird nichts ausgesagt.

Es liegt in der Natur von Kernreaktoren, daß die Meßstellen wegen der hohen Strahlungsbelastung nicht mehr direkt zugänglich sind, so daß eine Fernmessung mit ortsfest eingesetzten Geräten notwendig ist. Da die Permanentmagneten einer Alterung unterliegen, die insbesondere durch erhöhte Betriebstemperaturen, wie sie bei Kernreaktoren nicht zu vermeiden sind, beschleunigt wird, ergibt sich das dringende Bedürfnis, die in solchen Anlagen eingesetzten Einrichtungen wenigstens hinsichtlich der Verschleißteile, also des Permanentmagneten, auswechselbar zu machen. Die Elektroden für den Spannungsabgriff können dabei an Ort und Stelle bleiben.

Die Lösung dieses Problems besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Dauermagnet auswechselbar innerhalb eines von der Flüssigkeit durchströmten Rohres so gehaltert ist, daß der gesamte Flüssigkeitsstrom vom Magnetfeld desselben durchsetzt wird und in einen nichtmagnetischen, mit Hilfe eines Spezialwerkzeuges aus der Meßstelle herausnehmbaren rohrförmigen Ringkörper eingebettet ist, der mit quer zum Magnetfeld angeordneten Durchbrechungen versehen ist, durch die die Flüssigkeit in Berührung mit den Elektroden steht. Der Dauermagnet kann dabei rohr- oder auch schalenförmig ausgebildet sein.

Zur näheren Erläuterung dieser Erfindung wird auf die Fig. 1 und 2 verwiesen, in denen ein wichtiges Anwendungsbeispiel, nämlich die Messung der Natriumströmung in einem Kernreaktor dargestellt ist.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch den Reaktorkern dar, aus dem die Einbauorte der erfindungsgemäßen Einrichtung zu ersehen sind. Mit 1 ist der Reaktordruckkessel bezeichnet, mit 2 der thermische Schild, mit 3 die Kerntragplatte, auf der die Brennelemente 5, die den Reaktorkern bilden, ruhen, und mit 4 die Kühlmittelströmung, die durch Bohrungen der Kerntragplatte 3 innerhalb der jeweils von einem Metallmantel umgebenen Brennelemente 5 nach oben strömt. In den Durchbrechungen der Tragplatte 3, deren eine mit einem strichpunktierten Kreis gekennzeichnet ist, sind die Strömungsmeßeinrichtungen entsprechend dieser Erfindung angeordnet.

Fig.2 zeigt zwei dieser Stellen in einem Ausschnitt der Kerntragplatte 3. Diese besteht aus einer unteren und oberen gelochten Platte, die über Verbindungsbuchsen 31 miteinander verbunden sind. Eine solche Bauweise ist nicht nur gewichtssparend, sondern auch besonders biegesteif und hat den weiteren Vorteil, daß in ihrem Inneren z.B. Meßleitungen u.dgl. geführt werden können. Jede dieser Buchsen 31 dient dabei zur Aufnahme der unteren Partien der Brennelemente 5. Diese Brennelemente 5 haben normalerweise quadratischen oder sechseckigen Querschnitt, liegen im Reaktorkern praktisch ohne Zwischenraum nebeneinander, sind an ihren unteren Partien konisch verjüngt und am Einlauf des Kühlmittels mit einem kreisrunden Querschnitt versehen. In diesen Partien sind üblicher-

weise auch sogenannte Strömungsdrosseln 51 angeordnet, mit deren Hilfe für die einzelnen Brennelemente stets jener Durchfluß des Kühlmittels eingestellt wird, der in Abhängigkeit von der Heizleistung jedes einzelnen Elementes stets die gleiche Austriustemperatür ergibt. In diesem untersten Teil der Brennelemente 5 — also in unmittelbarer Nähe dieser Strömungsdrosseln 51 — befindet sich in diesem Beispiel die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit. In einem elektrisch nichtleitenden, temperaturbeständigen Körper 52, der gleichzeitig auch als Einlaufdüse ausgebildet werden kann, ist ein Permanentmagnet 53 eingebettet. Dieser Magnet hat 2. B. eine rohrförmige Gestalt, wie es aus der linken Seite der Figur ersichtlich ist, seine Magnetisierungsrichtung ist aus den Magnetfeldpfeilen zu ersehen. Es kann aber auch halbschalen- oder mehr plattenförmig ausgebildet sein, wie es in der rechten Hälfte der F i g. 2 dargestellt ist. Er besteht dann aus zwei Teilen. Der Körper 32 ist in jedem Fall mit einer Querbohrung 54 versehen, die senkrecht zum Magnetfeld des Permanentmagneten 53 verläuft. Durch diese Bohrung ist die Wandung der Buchse 31 für das elektrisch leitende Kühlmittel, in diesem Falle Natrium, zugänglich. An diesen Wandungsstellen befinden sich nun die Abnahmeelektroden 33 für die sich ausbildende Spannung. Sie sind ähnlich aufgebaut wie ein Mantelthermoelement. Der Spannungsableiter 33a befindet sich in der Mitte; der Zwischenraum zwischen diesem und dem Mantelrohr ist mit einem temperaturfesten Isoliermaterial ausgefüllt. Diese Elektroden 33 sind dann in entsprechende Bohrungen der Buchse 31 eingelötet oder eingeschweißt. Da über das metallische Rohr 31 ein gewisser Nebenschluß, also ein Ausgleichsstrom zwischen den beiden Elektroden 33 stattfindet, ist es zweckmäßig, den Widerstand zwischen diesen beiden Abnahmepunkten so groß wie möglich zu machen und diese Anordnung also etwa in der Mitte zwischen den beiden Platten 3, also auf halber Höhe der Buchse 31, anzubringen. Die in jeder Buchse 31 angeordneten Spannungsfühler 33 werden durch den Zwischenraum zwischen den Platten 3 nach außen geführt. Dieser Zwischenraum ist zweckmäßigerweisc mit einem keramischen Isoliermaterial, wie z. B. AI2O3, gefüllt, das für eine sichere Lagerung dieser Leitungen 33 sorgt. Dieses Material hat weiterhin den Vorteil, daß möglicherweise in den Zwischenraum eindringendes Natrium nicht in die Isoliermasse eindringen kann, da AI2O3 von Natrium nicht benetzt werden kann. Der den Magneten 53 enthaltende Ringkörper 52 ist mit dem unteren Teil des Brennelementes 5 zweckmäßigerweise lösbar verbunden, so daß er nach einer Herausnahme des Brennelementes aus dem Reaktorkern leicht abgenommen und durch ein neues Bauteil ersetzt werden kann. Er kann auch gleichzeitig, wie in der F i g. 2 dargestellt, zur Halterung der Strömungsdrosseln 51 Verwendung finden. Dabei ist es notwendig, daß die Zuordnung der Querbohrung 54 zum Brennelement 5 stets in der gleichen Lage vorgenommen wird, damit beim Einsatz im Reaktorkern die Spannungsfühler 33 stets in gut leitender Verbindung mit der Kühlmittel-Strömung stehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß der den Dauermagneten 53 enthaltende Körper 52 ohne starre Verbindung mit dem darüber befindlichen Brennelement 5 ist. Er kann dann mit einem Spezialwerkzeug, das an der Lademaschine des Reaktors zu befestigen wäre, eingesetzt werden und z. B. durch Führungsstifte 32 an der Wandung der Buchse 31 und entsprechende Einschnitte im Körper 52 die richtige Winkellage erreichen und gleichzeitig in der vertikalen Sollage arretiert werden. Für den Fall, daß eine Aufwärtsbewegung dieser Teile nicht durch andere Elemente, wie in diesem Falle die Brennelemente 5, verhindert werden kann, können an sich bekannte fernbetätigbare Arretierungseinrichtungen, wie z. B. Klinken usw., im Körper 52 bzw. der Rohrwandung 31 vorgesehen sein. Auch können diese Einrichtungen fernbedient werden und so ausgeführt sein, daß ihre Haltefunktion durch die Flüssigkeitsströmung nicht beeinträchtigt wird.

Dieses Beispiel aus der Reaktortechnik zeigt einen möglichen Einsatz einer derartigen Meßeinrichtung. Selbstverständlich ist dafür keine derartige Tragplattenkonstruktion notwendig. Es können z. B. auch massive Wandungen für die Aufnahme der Durchflußmeßeinrichtung Verwendung finden.

Abschließend sei noch erwähnt, daß man selbstverständlich derartige Strömungsmeßeinrichtungen auf die kälteste Seite der Flüssigmetallströmung oder der Strömung der leitenden Flüssigkeit legt. In dem genannten Beispiel des natriumgekühlten Kernreaktors beträgt die Eintrittstemperatur und damit auch die Temperatur der Permanentmagnete etwa 400°C. Die Austrittstemperatur des Kühlmittels liegt dagegen über 500°C. Magnetmaterialien, die bei diesen Temperaturen betriebsfähig sind, sind allgemein bekannt und wurden daher nicht näher erläutert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, insbesondere eines zur Kühlung eines Kernreaktors dienenden flüssigen Metalls, bei der ein von einem Dauermagneten erzeugtes Querfeld sowie ein Elektrodenpaar in der Wandung des Strömungskanals zur Abnahme der senkrecht dazu entstehenden, von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Spannung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dauermagnet (53) auswechselbar innerhalb eines von der Flüssigkeit durchströmten Rohres so gehaltert ist, daß der gesamte Flüssigkeitsstrom vom Magnetfeld desselben durchsetzt wird und in einen nichtmagnetischen, mit Hilfe eines Spezialwerkzeuges aus der Meßstelle herausnehmbaren rohrförmigen Ringkörpers (52) eingebettet ist, der mit quer zum Magnetfeld angeordneten Durchbrechungen (54) versehen ist, durch die die Flüssigkeit mit den Elektroden (33) steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (53) rohr- bzw. schalenförmig ausgebildet ist.

3. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 für die Überwachung der in jedem einzelnen Brennelement (5) eines flüssigmetallgekühlten Kernreaktors vorliegenden Strömung, wobei sie mit Hilfe eines durch die Brennelementlademaschine zu betätigenden Werkzeuges aus dem auf der Kühlmitteleinlaufseite befindlichen Meßort auswechselbar ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (33) in den als Fußpunkte der Brennelemente (5) dienenden Verbindungsbuchsen (31) des unteren aus zwei einzelnen Platten (3) aufgebauten Kerntragrostes angeordnet sind und der den Magneten (53) enthaltende Ringkörper (52) als in den Verbindungsbuchsen einsetzbare Kühlmitteleinlaufdüse sowie als Halterung für evtl. Strömungsdrosseln (51) ausgebildet ist.