DE2048629A1

DE2048629A1 - Flüssigmetall-Monitor

Info

Publication number: DE2048629A1
Application number: DE19702048629
Authority: DE
Inventors: Warrington. Lancashire; Davidson Daniel Fräser. Bowdon. Cheshire; Roach. Peter Francis. Croft (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1969-10-07
Filing date: 1970-10-03
Publication date: 1971-04-15
Also published as: GB1308466A; FR2064178A2; SE376486B; US3672209A; BE757133A; FR2064178B2; NL7014675A; DE2048629C2

Description

PATENTANWALT . "Wtfam IMTI) 334M DIPL-ING. ERICH SCHUBERT ._ft/OMn

Kain 19Λ31, Emot »3O Bankkonten:

Ab·.: Potentanwol» Dipl.-Infl. SCHUBERT, 9» Siagm, Eiwrwr StraB· 227 Ctouhch· Bank AG., Postfach 325 Filialen Si»g»n u. Oberhaut« (UiId.)

70 107 Kü/h. 2. Oktobtr 1970

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.¥.i/England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Hr. 49317/69 vom 7. Oktober 1969 in Anspruch genommen.

yitisaigmetall-Monitor

Die Erfindung bezieht sich auf Plüaeigmetall-Monitoren bzw. -L/berwachungsvorrichtungen zum Ermitteln des Verunreinigungsgehaltes (hauptsächlich Sauerstoff in form dee Metalloxyde)

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in einem flüssigen Metallstrom. Solche Monitoren bzw. Überwachungsvorrichtungen sind auch ala "Verstopfungsmesser" /"plugging meters"/ bekannt und beruhen auf der Tatsache, daß eine bekannte Beziehung zwischen Temperatur und der Löslichkeit der Verunreinigung im flüssigen Metall besteht. Es wird die Temperatur gemessen, bei welcher eine Verunreinigung beginnt, sich niederzuschlagen, oder bei welcher sie beginnt, sich wieder aufzulösen, d.h. es wird die Sättigungstemperatur gemessen. Solche Monitoren weisen eine Öffnung in einem Flüssigmetall-Strömungsweg auf, wobei die Temperatur des flüssigen Metalls an der Öffnung so gesteuert bzw. kontrolliert wird, daß eine Teilverstopfung aus einem Verunreinigungsniederschlag in der Öffnung aufrechterhalten wird, wodurch die Strömung durch die Öffnung hindurch auf einen ausgewählten Bruchteil der nioht-verstopften bzw. nicht-gehenmten Strömung beschränkt wird. Die Temperatur des flüssigen Metalls an der Öffnung ist, wenn das Maß der ieilverstopfung stabil bzw. konstant let, eine Anzeige für den Verunreinigungsgehalt bzw.-grad des flüssigen Metalls. Die Monitoren weisen an der öffnung eine Einrichtung zum unterteilen der ilüsaigmetallBtrömung in zwei Teile auf, so daß der eine dieser Teile durch die Öffnung hindurch verläuft und der andere Teil die Öffnung umgeht. Im nachfolgenden werden solche Monitoren als "Monitoren der beschriebenen Gattung" bezeichnet.

Erfindun^sgemäß enthält ein Flüssigmetall_Monitor der beschriebenen Gattung eine Wärmeübertragungseinrichtung, durch welche Wärmeenergie vom tflüesigmetall stromaufwärts der Öffnung auf das Flüssigmetall etromabwärts der öffnung über-

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tragen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung setzt sich die Y/ärmeübertrfigungseinrichtung zusammen aus einer Kühlvorrichtung, durch welche das Flüssigmetall stromaufwärts der Öffnung gekühlt werden kann, sowie aus einer Heizvorrichtung, durch welche das Flüssigmetall stromabwärts der Öffnung wieder erhitzt werden kann, wobei die Kühl~ und Heizvorrichtung eine Wärmeübertragung zwischen dem Flüssigmetall im iionitor und einem Wärmeaustauschmedium in einem separaten Strömungsmittelkreislauf bewirken und dieser separate Kreislauf einen Kühler sowie eine Pumpe für das Medium enthält, sowie aus einer Steuervorrichtung, durch welche die Pumpleistung bzw. Pumprate der Pumpe im separaten Kreislauf von der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen ketalls durch die Öffnung hindurch abhängig gemacht wird. Die durch die Pumpe im separaten Kreislauf hervorgebrachte Pumpleistung kann teilweise von der Temperatur des flüssigen Metalls im Bereich der Öffnung abhängig sein, wodurch eine Doppel—Servoschleifen-Steuerung hervorgebracht wird, die dazu dient, Störungen der .."emperaturablesung infolge Änderung der Flüssigmetall-iQinlaßtemperatur zu reduzieren. Die bevorzugte Ausführungsform von Flüssigmetall-Konitor findet Anwendung bei der Überwachung von Flüssigmetall mit radioaktiver Yei-seuchung.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und 3war zeigt

I^rig. 1 ein ötröuiangsxreislaufdiagramm, während Fig. 2 in teilweise aui\-:£..-jhiiittener Darstellung eine perspektivische Ansicht von Einzelteilen wiedergibt, die, wie in ?ά;Τ. 1 angedeutet, miteinander

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verbunden und in einer Kernreaktor-Installation eingebaut sind.

In beiden Figuren wird jeweils das gleiche Bezugszeichen für einen gegebenen Einzelteil verwendet, wenn auch nicht unbedingt alle Teile in beiden Figuren dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt grob einen Flüssigmetall-Monitor mit drei untereinander verbundenen Hauptabschnitten, nämlich einem Flüssigmetall-Kreislauf-Abeehnitt I, einem Wärmeübertragungsmedlum.Abschnitt II und einen Pumpeteuerunge-Absohnitt III.

I — FlÜBsigmetallkrelBlauf-Abechnltt

Ein Kanal 11 trägt einen Vorrat von Flüssigmetall-Natrium, welches tiberwacht werden soll. Dieses Natrium wird aus dem Kanal 11 mittels einer elektromagnetischen Pumpe 12 abgezogen, welche dazu dient, das Natrium durch eine Leitung 13 hindurchzutreiben. Stromabwärts bzw. in Strömungsrichtung hinter der Pumpe 12 ist die Leitung von einem ersten kantel 14 umgeben, durch welchen das Wärmeaustauschmedium nach der Erfindung (in diesem Falle durch ein Gemisch aus Flüssigmetall-Natrium und -Kalium verkörpert), hindurchgefördert werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird.

Eine Loohplatte 15 ist in der Leitung 13 in Strömungsrichtung hinter dem ersten Mantel angeordnet und wirkt in einer solchen Weise, daß sie die Natriumströmung entlang der Leitung 13 so aufteilt, daß sie entweder in eine Beipaßleitung 16 oder durch die Öffnungen in der Platte 15 in eine Öffnungsleitung 17 gelangt. Ein Thermoelement 23 ist in der Leitungswand im Bereich der Platte 15 eingebettet

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In Strömungsrichtung hinter "bzw. stromabwärts der Lochplatte 15 ist die Öffnungsleitung 17 von einem zweiten Mantel 18 umgeben, welcher mit dem ersten Mantel durch ein Rohr 18a gekuppelt und in den Wärmeaustauschmedium-Kreislauf einbezogen ist, wie nachfolgend noch "beschrieben wird.

Die Beipaßleitung 16 mündet in eine Rückführleitung 19» die zurück zum Kanal 11 führt. Die Beipaßleitung enthält ein Ventil 20 sowie eine Magnetbremse 21, welche den Anteil der Gesamtströmung in der leitung 13, welcher durch die Beipaßleitung gelangt, beherrscht bzw. steuert.

Die Öffnungsleitung 17, welche ebenfalls in die Rückführleitung 19 mündet, enthält einen elektromagnetischen Strömungsmesser 22, desaen Ausgang (eine Funktion der Uatriumströmung durch die Öffnungsleitung 17 hindurch) dem Pump-Steuerungs-Abschnitt, wie nachfolgend näher beschrieben, zugeführt wird.

II — Wärmeübertragungamedium-Absohnitt

Dieser Abschnitt besteht aus einer geschlossenen Schleife 30 für Kühlmittel, das aus einem Flüssigmetall-Natriumiialium-Gremisch besteht, welches um die Schleife herum durch eine Flüssigmetallpumpe 31 getrieben wirci, deren Betriebsgeschwindigkeit verändert werden kann. Das FlüesigiuetallgemiGch in der Schleife wird mittels eines Luftkühlers 33 gekühlt t der Flügel bzw. Rippen aufweist, über welche Luft über ein nicht dargestelltes Gebläse getrieben wird. Eine elektromagnetische Bremse 32 dient dazu, die ilonvektionsströmung in dem Kühlmittel-Flüssigmetallgemiech zu begrenzen, die sonst in der Schleife bei abgeschalteter Pumpe 31 vorhanden sein kann.

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|II -- Pumpsteuerung-Abschnitt

Dieser Abschnitt beherrscht bzw. steuert auf der Basis der Ausgänge 23 und des elektromagnetischen Strömungsinessers 22 den Betrieb der Pumpe 31· Die Thermoelement- und Strömungs-

, messer-Ausgänge werden einem Differential-Gleichstromverstärker 35 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 35 ist

^! proportional der Differenz der beiden Eingänge, und der ψ varrierende Ausgang wird dazu verwendet, eine entsprechende

: variable Steuerung der Pumpe 31 zu bewirken. Die von dem Ausgang des Thermoelementes 23 wiedergegebene Sättigungstemperatur wird fortlaufend auf einem Stiftschreiber 34 registriert. Der Ausgang des Strömungsmessers 22 wird dem Differentialverstärker 35 mittels eines Regelgerätes /controller/

36 zugeführt.

j Pig. 2 zeigt den Kreislauf der Fig. 1, der in einer Installation für den Primär-Kühliaittelkreislauf eines natriumgekühlten öchnellreaktors eingebaut ist. Einzelheiten, die denjenigen der Pig. 1 entsprechen, sind die gleichen Bezugszeichen gegeben worden, wenn auch nicht alle Einzelteile der Pig. 1 in Pig. 2 dargestellt sind.

Die Installation weist eine herausnehmbare Edelstahl-Baueinheit 50 auf, in welcher die Kreislauf-Einzelheiten eingeschlossen sind. Die Baueinheit 50 ist im Innern eines ortsfesten äußeren Behälters 51 angeordnet, der von einer dicken biologischen Betonabschirmung 52 herabhängt. Die herausnehmbare Baueinheit 50 ist an der Abschirmung duroh Schrauben^ lokalisiert, die sich durch einen Plansch hinduroh erstrecken, welche:: zur Baueinheit 50 gehört. Die

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Schrauben greifen, in einen Flansch 56 ein, welcher in der Abschirmung 52 eingebettet ist. In der Baueinheit befindet sich ene Abschirmung 57, die sich gleichlaufend mit der Abschirmung 52 erstreckt.

Unter normalen Bedingungen enthält der äußere Behälter flüssiges Natriummetall (welches als Kühlmittel für die Reaktor-Brennelemente dient) bis zu einem Pegel, der durch einen Pfeil 58 angedeutet ist. Das Natriummetall wird durch äußere Einrichtungen (nicht dargestellt) über einen Einlaß 59 in den äußeren Behälter hinein in Umlauf gebracht und zur Hauptmasse des Natriums über einen Auslaß 60 zurückgeführt. Probeentnahmeöffnungen 61 ermöglichen es, Natrium innerhalb des Außenbehälters 51 in die Baueinheit 50 hineinzuziehen und aus dieser abzustoßen. Die ProbeentnähmeÖffnungen 61 entsprechen den Rohren, die in den Kanal 11 der Fig. 1 eintauchen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Einzelheiten in dem Teil der Baueinheit 50 unterhalb der Abschirmung 57 jene des Flüssigmetallkreislauf-Abschnittes I der Fig. 1 sind (im wesentlichen die Pumpe 12, die Bremse 21, der Strömungen messer 22, die Lochplatte 15 und die Iüäntel 14» 18). Ebenso sind die Einzelheiten in dem x'eil der Baueinheit oberhalb der Abschirmung 57 jene Teile des Vfärmeübertragungsmedium-Abschnittes ±1, mit Ausnahme der Hantel H, 18. Diese Mäntel sind mit der Pumpe 31 und dem Luftkühler 33 im oberen Teil der Baueinheit über Leitungen 62, 63 verbunden, die einen ieil der geschlossenen Schleife 30 nach Fig. 1 bilden.

Eine.Spindel 65 erstreckt sich nach unten durch die Abschirmung 57 hindurch, um eine Steuerung bzw. Betätigung

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des Ventils 20 (teilweise verdeckt), welches in Verbindung mit Fig. 1 erwähnt wurde, zu ermöglichen.

Dadurch, daß der Monitor in einer Baueinheit in der beschriebenen Weise montiert ist, kann der Monitor für die Wartung herausgenommen werden, da die Strahlung eine Wartung oder Reparatur an Ort und Stelle im Außenbehälter 51 praktisch unmöglich macht. Es wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als unzweckmäßig erachtet, Kühlluft direkt auf Rohre zu blasen, die radioaktives Natrium führen. Der Wärmeaustausch-Zwischenkreislauf des Natrium-Kalium-Gemisches wird hier verwendet,, um diese Unzweckmäßigkeit zu umgehen.

Natriummetall wird aus dem iianal 11 mittels der Pumpe durch die Leitung 13 getrieben. Eine Kühlung des Natriummetalls in der Leitung 13 erfolgt durch Wärmeaustausch mit dem flüssigen Natrium-Kalium-Gemisch, welches durch den ersten Mantel 14 getrieben wird. Das gekühlte Natrium in der Leitung 13 gelangt dann an der Lochplatte 15 an und teilt sich in zwei Teile auf, wobei der eine Teil in die Beipaßleitung 16 und der andere Teil durch die Löcher der Platte 15 in die Öffnungsleitung 17 gelangt· Sowohljdie Loch- oder üffnungsströmung als auch die Beipaßströmung empfangen Wärme beim Durchgang durch denjenigen Teil der Leitung 17, welcher vom zweiten Mantel 18 umgeben ist. Dieser Mantel empfängt über das Rohr 18a das heiße Watrium-Kalium-Gemisch aus dem ersten mantel 14, der dazu diente, Wärme aus dem flüssigen Natrium in Strömungsrichtung vor der Lochplatte 15 zu empfangen.

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Flüssige» Hatrium in der Öffnungsleitung 1? wird dann zum Kanal 11 über die Rückführleitung 19 zurückgeführt, nachdem es den elektromagnetischen Strömungsmesser 22 passiert hat. Die Strömung durch die Leitung 16 hindurch wird durch das Ventil 20 und die Magnetbremse 21 bestimmt, bevor sie nach dem Kanal 11 hin mittels der Rüokführleitung wiederhergestellt wird.

Bei Monitoren der beschriebenen Gattung steht die Kühlung der Strömung von flüssigem Metall, welches überwacht bzw* überprüft wird, nur in Beziehung zum Ausgang de« Strömungsmessers in der Leitung, durch welche das Flüssigmetall hindurchgelangt, nachdem es die öffnung durchquert hat. Ein Thermoelement im Öffnungsbereich dient lediglich als Temperaturfühler. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Ausgang des Strömungemessers 22 mittels der Regeleinrichtung 36 zusammen mit dem Ausgang des Thermoelementes 23 in den Sifferentialrerstärker 35 eingespeist. Auf diese Weise wird die Kühlrate bzw. -leistung, welche durch das Natrium-Kalium-Gemisch in seiner geschlossenen Schleife 30 beim Durchgang durch die Mäntel 14, 18 hervorgebracht wird, zu einer Funktion sowohl der Strömung durch die Lochplatte hindurch als auch der Temperatur des flüssigen Metalls im Bereich der Lochplatte gemacht.

Wenn die Temperatur des zugeführten Natriums konstant bleibt, dann arbeitet eine automatische Steuerung des Instrumentes rund um die Schleife, bestehend aus öffnungs-Strömungsmeeser 21, Regeleinrichtung 36, Differentialverstärker 35 und Kühlaitttlpumpe 31. Die Wirkung der öffnunge-Thermoelementverbindung besteht darin, einen Grad von negativer Rückkopplung einzuführen.

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Wenn die Temperatur des zugeführten Natriums sich ändert, dann ändert sich auch die 'Temperatur der Öffnung (als SättigungBtemperatur angezeigt), obwohl die wirkliche Verunreinigungs-Sättigungstemperatur konstant geblieben sein kann. Änderungen der Offnungstemperatur werden dem Differentialverstärker 35 gemeldet, der seinerseits die Pumpe 31 steuert. Die Pumpe (und somit die Kühlmittelströmung und Offnungscemperatur) wird in solcher Weise eingeregelt, daß die ursprüngliche Öffnungs-Temperaturexkursion reduziert wird. P Auf diese V/eise wird der Fehler in der Sättigungstemperaturablesung, welcher durch eine Änderung der Einlaß-Natrium- : temperatur hervorgerufen wird, durch die Anwendung einer Rückkopplung reduziert.

Die Hegeleinrichtung 36 verkörpert einen einstellbaren "Sollwert" /"set-point"/, dessen Stellung den Weg der beschränkten bzw. eingeschnürten üffnungsströmung bestimmt. Sie verkörpert außerdem veränderliche Termini zur Verbesserung der Steuersohleifen-Betriebslejstung.

Bei einer zweiten Aueführungsform der Erfindung wird die | j elektrische Heizeinrichtung in Strömungsrichtung hinter der öffnung duroh einen Lufterhitzer ersetzt. Der Lufterhitzer wird mit heißer Luft beliefert, welche den Kühler in Strömungsrichtung vor der Öffnung verläßt, und überträgt die Wärme auf das flüssige Metall in Strömungsrichtung hinter der Öffnung, wobei nachfolgend die abgekühlte Luft in die Atmosphäre abgeleitet wird. Eine solche Konstruktion von Flüsaigmetall-Monitor ist dort geeignet, wo das flüssige Metall nicht radioaktiv verseucht ist.

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Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Brfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

- 12 - Patentanspruch»

1. Flüssigiaetall-Monitor, der in einem Flüssigmetall-StrömungBweg eine Öffnung aufweist, welche zumindest teilweise durch Verunreinigungen bzw, Begleitkörper verstopft werden kann, die vom flüssigen Metall im Strömungsweg nieder-

fc geschlagen werden, wobei die Flüssigmetallströmung an der Öffnung in zwei Teile so aufgeteilt wird, daß nachfolgend einer der 'feile durch die Öffnung hindurch verläuft, während der andere Teil die Öffnung umgeht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem flüssigen Metall im Strömungsweg in Strömungerichtung vor der Öffnung auf das flüssige Metall im Strömungsweg in Strömungsrichtung hinter der öffnung vorgesehen ist.

2. Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wärmeübertragungseinrichtung zusammensetzt aus einer Kühleinrichtung, durch welche das flüssige Metall im Btrömungsweg in Strömungsrichtung yor der Öffnung gekühlt werden kann,

P sowie aus einer Heizeinrichtung, durch welche das im Strömungsweg befindliche flüssige Iietall in Btrömungsrichtung hinter der uffnung wieder erhitzt werden kann, wobei die Kühl- und Heizeinrichtung eine Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Metall im Monitor und einem Värmetauschermedium in einem separaten Strömungsmittelkreislauf bewirken.

3. Monitor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der separate Strömungsmittelkreislauf eine Heizvorrichtung,

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eine Kühlvorrichtung aowio eine Pumpe für das Wärraeauatauschmedium und eine Steuereinrichtung enthält, derart, daß die Geschwindigkeit für das Pumpen des Wärmeaustausch- _% mediums im separaten Kreislauf von der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls durch die Öffnung hindurch abhängig ist.

4. Monitor naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpgeschwindigkeit des tfärmeaustauschmedimns :Lm aoparaten Kreislauf teilweise von der Temperatur dos flüssigen Metalls im Strömungsweg im Bereich der Öffnung abhängig iat_F derart, daß eine Doppelservoschleifo hervorgebracht wird, wolcho dazu dient, Störungen der 'i'emperaturablesung infolge Änderung der Flüssigmetall-Einlaßtemperaturen zu reduzieren.

5« Monitor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschmedium im separaten Kreislauf ein Flüssigmetall-Natrium-Kalium-Gremiseh ist, welches rund um den Kreislauf durch eine Flüssigmetallpumpe getrieben und durch einen Luftkühler gekühlt wird.

6. Monitor nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet,

daß die ätzvorrichtung im separaten Kreislauf eine elektrische Heizvorrichtung ist.

7. Monitor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die heizvorrichtung im separaten Kreislauf ein Lufterhitzer ist, welcher mit heißer Luft beliefertlwird, die den Luftkühler verläßt.

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