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Natrium-Destillationseinrichtung, insbesondere für Na-gekühlte Kernreaktoren
Die Funktionsfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit von natriumführenden Anlageteilen
ist im großen Maße vom Oxidgehalt des Natriums abhängig. Der Reinhaltung des Natriums
von Oxid kommt deshalb eine besondere 3edeutung zu. Aus diesem Grunde werden zum
Beispiel in den Kreisläufen datriumgekühlter Kernreaktoren Natriumreinigungsanlagen
eingebaut, mit denen solche Oxide dem Kreislauf entzogen werden. Gleichzeitig sind
@eßeinrichtungen erforderlich, um kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen
den Oxidgehalt des iX7atriums zu übervachen.
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Es sind bereits Methoden zur kontinuierlichen Bestimmung des Oxidgchalte
von Natrium in der Literntur beschrieben worden. So werden zum Beispiel in der
Zeitschrift
"Kernenergie" 12. Jg. Heft 9/1969 auf eite 285 und 286 ein \(erstopfungsindikator,
die Widerstandsmethode und das "oxygen meter" erläutert.
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Diese Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht sehr
genau arbeiten. Da aber die Anlage teile der Natrium-Kühlkreisläufe von Kernreaktoren
sehr teuer sind, ist eine genauere Kontrolle des Oxidgehaltes von Natrium wünschenswert,
um volkswirtschaftliche Verluste infolge Korrosion zu vermeiden.
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Es bietet sich deshalb an, diskontinuierlich arbeitende Natriutn-Destillationseinrichtungen
zu entwickeln, in denen durch Verdampfen des Natriums dieses von seinem Oxid getrennt
wird und der Rückstand entnommen und ausgewägt bzw. analysiert werden kann. Da Natrium
unter Normaldruck erst be 883 °C siedet, ist es erforderlich, die vorgesehene Destillation
unter erheblichem Unterdruck vorzunehmen. Statt der Probleme, die durch die hohen
Temperaturen entstehen, muß man aber hierbei eine eine konstruktiver Probleme, die
durch den hohen Unedruck bedingt sind, lösen. Hinzu kommt, daß das Natrium, wenn
es in kerntechnischen Anlagen einen setzt wird, meistens radioaktiv ist und die
gesamte Handhabung der Destillationseinrichtung daher in einer sogenannten "glove-box"
erfolgen muß. Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, eine für den Betrieb
unter erheblichem Unterdruck geeignete, diskontinuierlich arbeitende Natrium-Destillationseinrichtung
zu ent.!ickeIn, die f @öglichst einfache Weise eine Verdamofung des Natr@ums in
hierfür vorgesehenen Tiegeln ermöglicht und bei der die konstraktiven Prohleme einer
unter den Bedingungen des
Unterdrucks und der Temperaturen von etwa
300 00 arbeitenden Apparatur gelöst s sind.
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Diese Aufgabe wird dndurch gelöst, daß bei einer für den Betrieb unter
erheblichem Unterdruck geeigneter diskontinuierlich arbeitenden Natriums-Destillationseinrichtung
in einer druckfesten Kammer 1 ein Einsatz 5 koaxial angeordnet ist, der an seinem
unteren Ende einen Teller 7 mit aufgesetzten Probenahmetiegeln 9, 9' zur Aufnahme
des zu verdampfenden Natriums tragt und ober halb dieses Tellers einen, den Teller
uberdeckenden Strahlungsschirm 10 mit einer Strahlungsheizung 11 hat und der an
seinem oberen Teil ein Dichtungssystem mit einen mittels eines Druckspeichers 18
gegen eine Dichtfläche 16 im Inneren der Druckkammer 1 gepreßten Dichtring hat.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeit einen vertikalen Schnitt
durch eine Natrium-Destillatignseinrichtun nach der Erfindung.
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Die Destillationseinrichtung besteht aus einer druckfesten Kammer
1, die über einen Flansch 2 mit einem oberen Dichtflansch 3 verbunden ist, der in
der sind 4 einer sogenannten "glove-box" sitzt. In der druckfesten Kammer 1 ist
ein Einsatz 5 koaxial angeordnet.
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An seinem unteren Ende, oberhalb eines bodens 6 der Druckkarnmer 1
hat der Einsatz 5 einen leller 7 mit Tiegelhalterungen 8, welche Probenahmetiegel
9,9' aufnehmen.
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Oberhalb des Tellers 7 ist als Bestanßteil des minsatzes 5 ein den
Teller überdeckender STrahlungsschirm
lo angeordnet, in dem eine
Strahlungsheizung 11 eingebaut ist.
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Die Heizwendeln der Strahlungsheizung 11 verlaufen in Vertiefungen
12 eines Aufnahmekörpers 13, der den Strahlungsschirm 10 an seinem unteren Ende
verschließt.
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Der Aufnahmekörper 13 hat an seiner Außenseite, also an der dem Teller
7 zugewandten Seite eine die Probenahmetiegel 9, 9' überdeckende, umlaufende konkav
gewölbte Fläche 14, die während und nach der Destillation sicherstellt, daß sich
an ihr bildende Natriumtröpfchen und Verunreinigungen nicht in die Probenahmetiegel
9, 9' fallen können, sondern zum Rand der konkav gewölbten Fläche gelangen und erst
dort abtropfen.
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Außerdem trägt die gewölbte Flache des Aufrahmekörpers zur Verringerung
der auftretenden Wärmespannungen bei.
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Oberhalb des Strahlungsschirms 10 verjüngt sich die druckfeste Kammer
1, hat dann einen zylindrischen Teil 15 und erweitert sich abermals, wobei eine
konische Fläche 16 gebildet wird, auf die ein konischer Dichtring 17 aufsitzt, der
fest und gasdicht mit dem Einsatz 5 verbunden ist. Die Anpreßkraft für den Dicht
ring wird über einen Druckspeicher 18, der einerseits gegen einen Spannring 19,
der fest mit dem vom Gehäuse der Druckkammer abgestützten oberen Dichtflansch 3
mittels Schrauben 20 verbunden ist und andererseits gegen einen auf dem einsatz
5 aufsitzenden Ring 21 druckt, bewirkt. Als Druckspeicher eignen sich beispielsweise
Tellerfedern.
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Um ein Eindringen von Luft zwischen dem Einsatz 5 und dem Spannring
19 iiber den Druckspeicher 18 und vorbei an dem Ring 21 in den Raum oberhalb des
Dichtringes 17 zu verhindern, ist der obere Dichtf)ansch 3 mit einem J?altcnbalg
22 dicht lt dem Dicitring verbunden.
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Am unteren Ende des konischen Uichtringes 17 ist ein Schutzschild
23 eingesetzt, der einen zylindrischen Abschnitt 23' hat, welcher einen etwas geringeren
Durchmesser hat, als der zylindrische eil 15 des Gehsuses der Druckkammer 1. Der
Schutzschild 23 schützt die durch den Dichtring 17 und der konischen Fläche 16 gebildete
Dichtung vor zu großer Wärmestrahlung aus dem unteren Teil der Kammer 1. Im Bereich
des Schutzschildes 23 und des Dichtringes 17 hat das Gehäuse der Druckkammer 1 Kühlrippen
24, welche von einem Kühlmittel umspült werden. Dadurch wird erreicht, daß sich
zwischen dem DIChtring 17 und der konischen Fläche 16 ansammelndes Natrium so weit
abkühlt, daß es fest wird. Die Dichtung dichtet dadurch auch bei nichts sehr genauer
Bearbeitung der Dichtflächen gegen den hohen Unterdruck ab.
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Da dieser Zustand aber zu Beginn der Destillation noch nicht erreicht
ist, ist eine weitere Abdichtung erforderlich. Diese erfolgt über Dichtungen 25
und 26 zwischen dem oberen Dichtflansch 3 und dem flansch 2 am Gehäuse der Druckkammer
1 und stellt sicher, daß nur -eine geringe .iienge dampfförmiges Natrium zu der-durch
den Dichtungsring 17 und der konischen Fläche 16 gebildeten Dichtung gelangt.
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Das zu untersuchende Natrium wird über mehrere oberhalb der Probenahmetiegel
9, 9' am Umfang des Gèhauses der Druckkammer gleichmäßig verteilten Zuleitungen
27 über ausechselbare Düsen 28 in die Druckkammcr 1 derart eingebracht, daß der
Flüssigkeitsstrahl in die Probenahmetiegel gerichtet ist. weiterhin hat das Gehause
der
Druckkammer einen Überlauf 29 und einen Ablauf 30-für das flüssige Natrium. Zur
Erzeugung des Vakuums ist in-Höhe des Strahlungsschirms 1o am Gehause der Druckkammer
1 eine Vakuumleitung 31 angeschlossen.
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Die Verbindung mit dem Natriumkreislauf erfolgt aber eine Zuleitung
27, einem Überlauf 29 und einem Ablauf 30. Dabei ist der Zulauf mit einer auswechselbaren
Düse 28 versehen.
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Da einerseits die Beheizung ii der Kammer 1 ausgeschaltet werden muß,
sobald alles Natrium in den Probenahmetiegeln 9, 9' verdampft ist, andererseits
es aber nicht möglich ist, ohne Ausbau des Einsatzes 5 in die Frobenahmetiegel 9,
9' zu sehen, ist eine forrichtung erforderlich, die den Abschluß der Natriums verdampfung
anzeigt.
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Hierzu hat die erfindungsgemäße Eiatrium-Destillationseinrichtung
für jeaen Probenahmetiegel mindestens ein Thermoelement als Temperaturfühler 32,
der in jeweils mindestens einer Nocke 33 pro Probenahmetiegel geführt ist. Die Probenahmetiegel
haben einen zur mitte hin etwas hochgezogenen Boden, so daß der tiefste Teil der
Probenahmetiegel, in dem bis zum Abschluß der Natriumverdampfung Flüssigkeit verbleibt,
sich im Bereich der die Probenahmetiegel 9, 9' abstützenaen der Nocke 33 entsprechenden
Nocken befinden. Ist alles Natrium verdampft, so steigt die temperatur beispielsweise
in 3ereich des Temperaturfühlers 32 rasch an. Dieser Anstieg kann an einem Thermometer
außerhalb der Destillationseinrichtung abgelesen werden und daraufhin kann die 3eheizung
abceschaltet werden. Natürlich kann dieser Arbeitsgang auch automatisch erfolgen.
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Die Trennung des Natriums von seinen Oxiden geschieht wie folgt: Zuerst
wird der Ablauf 30 geschlossen, bis Natrium durch den Überlauf 29 abfließt. Dann
werden der Zulauf 27 und der Überlauf 29 verschlossen, so daß die Kammer vom ì7atriumkreislauf
getrennt ist. Der Kreislauf erfolgt dabei über eine nicht dargestellte Bypass-Leistung.
Anschließend wird der ablauf 30 geöffnet und erst wieder verschlossen, wenn alles
Natrium aus der Kammer gelaufen ist. Es bleibt dann nur die t'l.issigkeit in den
Probenahmetiegeln 9, 9' zurück. ihrer Teller 7 des Anbauteils 2 und der Boden 6
der Druckkammer 1 sind natürlich hierzu derart zu gestalten, daß keine Natriumreste
zurückgehalten werden, sondern die Slüssigkeit gut zum Ablauf 30 fließen kann. Dann
wird über die Vakuumleitung 31 in der Kammer das für die Destillation erforderliche
hohe Vakuum erzeugt, und die Strahlungsheizung 11 eingeschaltet. Es tritt nun eine
sehr schonende Verdampfung des Natriums in den irobenahmetiegeln ein. Dabei wird
das verdampfte Natrium über die Vakuumleitung 31 aus der Druckkammer 1 herausgeführt
und in einer nicht dargestellten Kondensationskammer kondensiert.
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Ist alles Natrium verdampft, so steigt die Temperatur in den Probenahmetiegeln
9, 9' an, was durch die Temperaturanzeige über Temperaturfühler 32 abgelesen werden
kann. Die Strahlungsheizung wird dann abgeschaltet und der gesamte einsatz 5 mit
den Probenahmetiegeln vorsichtIg aus der Druckka-mer nach Lösen der Schrauben in
der oberen Dichtplatte 3 entnommen. Die Bestimmung des Oxidgehaltes erflt dann durch
Auswagen der Probenahmetiegel, bzw. durch Anlalysieren des Rückstandes.
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Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäßen Natrium-Destillationseinrichtung
liegt darin, daß durch die Anordnung des Strahlungsschirmes 1o mit der Strahlungsheizung
11 oberhalb des die Probenahmetiegel 9, 9' tragenden Tellers 7 eine sehr gleichm&ßige
Verdampfung des Natriums erfolgt und sichergestellt ist, daß keine Verunreinigungen
nach Abschluß der Verdampfung bei Ausbau des Einsatzes 5 aus der Kammer etwa von
ihrer wandung in die Probenahmetiegel fallen können.
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Die konkav gewölbte, die Tiegel überdeckende Fläche 14 verhindert
in einfacher Weise, daß am Jtrahlungsschirm 10 kondensierte Natriumtröpfchen mit
Verunreinigungen in das Flüssigkeitsbad zurückfallen können.
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Das zweifache Dichtungssystem, bei dem die untere durch den Dichtring
17 und der konischen läche 16 des Gehäuses der Druckkammer gebildete Dichtung in
ihrer Wirkung zusätzlich durch "einfrieren" von dorthin gelangtem Natrium in ihrer
irkung verstärkt wird, löst zuverlässig das bei solchen Einrichtungen auftretende
Dichtungsproblem. Zudem bietet es den Vorteil, den Aus- und Einbau des Einsatzes
nicht zu erschweren.