DE2105924C3 - Vorrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen in einer Leitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen in einer durch öffnungen in verschiedenen Zonen in ihrer Seitenfläche mit strömender Flüssigkeit unter Druck beaufschlagten, vertikal angeordneten Leitung, insbesondere einem Brennelementfuß.

Eine besondere, wenn auch nicht ausschließliche Anwendung findet die Erfindung bei Brennstoffanordnungen oder -elementen für Kernreaktoren und insbesondere für Reaktoren, die durch ein flüssiges Kühlmittel, wie geschmolzenes Natrium, gekühlt werden. Brennstoffelemente bzw. -anordnungen für diesen Anwendungsbereich haben üblicherweise einen bei Betrieb im Reaktor vertikal angeordneten zylindrischen Fuß, in den das Natrium durch seitliche öffnungen eintritt, die in mehreren in verschiedenen Niveauhöhen vorgesehenen Horizontalreihen angeordnet sind. Bei seinem Eintritt durch diese Öffnungen erleidet das Natrium eine plötzliche Richtungsänderung — praktisch um einen Winkel von 90° — und strömt dann von unten nach oben in Richtung der oberhalb des Fußes montierten Brennstoffnadelr des Brennelements.

Die steigenden Anforderungen an Brennelemente in Kernreaktoren zur Erzielung höherer Leistungen unter Anwendung höherer Temperaturen und erhöhter Kühlmitteldurchsätze bedingen nun erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten für das zur Kühlung dienende Natrium.

Eine nähere Untersuchung über das Strömungsverhalten des Kühlmittels in einer solchen Anordnung mit seitlichem, insbesondere über eine gewisse Höhe verteiltem Flüssigkeitszutritt zeigt nun, daß im Bereich des Aufeinandertreffens der Flüssigkeitsstrahlen mit starker Turbulenz und einer erhöhten Kavitationsgefahr zu rechnen ist

Der Fuß eines solchen Brennstoffelements wird also nicht nur mechanisch durch die auf ihm lastende Anordnung belastet, sondern er übernimmt auch hydraulische Funktionen, vor allem im Bereich der obersten öffnungen, wo die zutretenden Flüssigkeitsstrahlen mit der von den unteren Öffnungen herkommenden aufsteigenden Strömung zusammentreffen und Kavitationserscheinungen zu befürchten sind.

Derartige Erscheinungen können für das gesamte Element schwerwiegende Folgen haben, wie eine Erosion gewisser Bauteile, die Entstehung von Schwingungen bzw. erheblichem Lärm auf Grund der Resorption der im Innern der Flüssigkeit gebildeten Blasen, was den Einsatz akustischer Vorrichtungen zum Siedenachweis im Natrium unmöglich macht, und schließlich besteht bei der möglichen Ausbildung von Vibrationen die Gefahr einer Beschädigung gewisser Teile des Elementes bzw. einer Beeinträchtigung des mechanischen Verhaltens der gesamten Anordnung.

Aufgabe der Erfindung ist daher eine Ausschaltung dieser Störungen, insbesondere im Bereich des Zusammentreffens der von den oberen Öffnungen ausgehenden Flüssigkeitsstrahlen mit der von den unteren öffnungen herkommenden Strömung, durch eine möglichst einfache, zusätzlich anzubringende Vorrichtung.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch ein koaxial im Inneren der Leitung vorgesehenes Organ zur Auftrennung der Strömung in Form einer radialen Ausstülpung, die an der Innenwand der Leitung befestigt ist und sie in einen unteren und oberen Bereich unterteilt, wobei jedem Bereich Einlaßöffnungen für die Flüssigkeit zugeordnet sind, und wobei diese Ausstülpung nach oben zu eine rohrförmige Verlängerungshülse, deren Innenwand die Form einer im unteren Teil sich sehr allmählich verengenden, im oberen Teil sich sehr allmählich erweiternden Düse aufweist, deren Außenwand zusammen mit der Innenwand der Leitung einen kreiszylinderförmigen Zwischenraum begrenzt, von dem zumindest ein Abschnitt durch eine mit der Verlängerungshülse fest verbundene transversale Blende teilweise eingeschnürt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausfübrungsart der

Erfindung hat die rohrförmige Verlängerungshülse eine zur Leitung parallele zylindrische Verlängerung und die

transversale Blende ist am Übergang zwischen Hülle und zylindrischer Verlängerung angeordnet.

Weitere Merkmale der kavitationshemmenden Vorrichtung gemäß der Erfindung werden im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines zur Erläuterung angegebenen, nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels hervorgehen. Diese Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in der schematisch ein axialer Schnitt durch das Ende eines Brennelementfußes gezeigt wird, der mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung versehen ist.

In dieser Figur wird der Fuß 1 eines Brennelementes für einen insbesondere mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktor gezeigt, dessen Kern durch kontinuierliche Zirkulation eines flüssigen Metalls, wie Natrium, gekühlt wird. Dieser Fuß 1 hat die Form einer zylindrischen Leitung mit vertikaler Achse, die durch eine Seitenwand 2 und einen Boden 3 gebildet wird, der

die Seitenwand am unteren Ende abschließt Am oberen Ende ist der Fuß 1 offen und mit der (nicht gezeigten) eigentlichen Brennstoffanordnung verbunden, die insbesondere dünne Nadelelemente aus geeignetem Kernbrennstoff aufweist Für die wirksame Kühlung des Brennelementes mit Natrium sind, im Fuß 1 eine Reihe von radialen Öffnungen quer durch die Wand 2 vorgesehen und in der Zeichnung je nach dem, ob sie sich im oberen oder unteren Teil des Fußes befinden, mit 4 oder 5 bezeichnet. Vorzugsweise sind diese Löcher bzw. öffnungen 4 und 5 in mehreren übereinander angeordneten Horizontalreihen verteilt, von denen jede eine bestimmte Anzahl von Löchern aufweist, die bei der gezeigten Ausfühningsart beispielsweise gleich 6 ist

Das unter Druck in den Fuß eintretende Natrium erleidet nach Verlassen der Löcher eine scharfe Richtungsänderung von praktisch 90°, wie durch die Pfeile 6 angedeutet wird und strömt dann im Fuß in Richtung der eigentlichen Brennstoffanorrlnung nach oben, wie durch den Pfeil 7 angedeutet wird.

Bei erhöhten Kühlmitteldurchsätzen ist nun im Bereich des Flüssigkeitszulaufs in den Fuß und insbesondere in Höhe der oberen Öffnungen, wo praktisch zwei Strömungen unterschiedlicher Richtung aufeinandertreffen, mit Turbulenz und erhöhter Kavitationsgefahr zu rechnen.

Zur Verhinderung dieser Erscheinungen wird gemäß der Erfindung innerhalb des Brennelementfußes ein Organ 8 zur Auftrennung der Strömung vorgesehen. Dieses Trennorgan umfaßt ein aufgestülptes Ende 9, das eine feste Verbindung mit der inneren Oberfläche der Wand 2 des Fußes ermöglicht, der dadurch in einen oberen und einen unteren Bereich unterteilt wird.

Dieses Organ 8 umfaßt weiter eine sich aus der Ausstülpung erhebende rohrförmige Verlängerungshülse 10 und bildet innen einen Durchlaß für die Flüssigkeit in Form einer zuerst sich verengenden, dann sich erweiternden Düse mit den sich sehr allmählich erweiternden Profilen 11 und 12. An dem der Ausstülpung 9 entgegengesetzten Ende hat der sich erweiternde Teil der Ausstülpung eine zur Wand 2 koaxiale zylindrische Verlängerung 13, die zusammen mit der Verlängerungshülse 10 einerseits und der Innenwand 2 der Leitung 1 andererseits einen kreiszylinderförmigen Zwischenraum 14 begrenzt, durch den das von den öffnungen 5 irr; oberen Bereich des Fußes herkommende Natrium strömt, wobei diese Strömung vollständig getrennt von dem durch die öffnungen 4 zutretenden Natriumstrom erfolgt. Das Organ 8 ermöglicht so die völlige Trennung der von den öffnungen unterschiedlicher Höhe herkommenden Strömungen und verhindert so insbesondere ihr Aufeinandertreffen unter Ausbildung von Turbulenzerscheinungen. Jenseits der zylindrischen Verlängerung 13 treffen die Teilströmungen mit gleicher Richtung aufeinander und mischen sich, ohne Anlaß zu Kavitationserscheinungen zu geben.

Schließlich ist das Trennorgan 8 außerdem, um die Strömungsgeschwindigkeiten der von den verschiedenen Öffnungen herkommenden Flüssigkeitsstrahlen praktisch einander anzupassen, im ringförmigen Zwischenraum 14 mit einer transversalen Blende 15 am Übergang von divergierendem Teil 12 zur zylindrischen Verlängerung 13 versehen. Diese Blende 15 ermöglicht die Ausbildung einer merklichen Verschlußwirkung in dem Zwischenraum 14.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

2t 05 924 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen in einer durch Öffnungen in verschiedenen Zonen in ihrer Seitenfläche mit strömender Flüssigkeit unter Druck beaufschlagten, vertikal angeordneten Leitung, insbesondere einem Brennelementfuß, gekennzeichnet durch ein koaxial im Inneren der Leitung (1) vorgesehenes Organ (8) zur Auftrennung der Strömung in Form einer radialen Ausstülpung (9), die an der Innenwand der Leitung (2—1) befestigt ist und sie in einen unteren und einen oberen Bereich unterteilt, wobei jedem Bereich Einlaßöffnungen (4 bzw. 5) für die Flüssigkeit zugeordnet sind, und wobei diese Ausstülpung (9) nach oben zu eine rohrförmige Verlängerungshülse (10), deren Innenwand die Form einer im unteren Teil (11) sich sehr allmählich verengenden, im oberen Teil (12) sich sehr allmählich erweiternden Düse aufweist, deren Außenwand zusammen mit der Innenwand (2) der Leitung (1) einen kreiszylinderförmigen Zwischenraum (13) begrenzt, von dem zumindest ein Abschnitt durch eine mit der Verlängerungshülse (10) fest verbundene transversale Blende (15) teilweise eingeschnürt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Verlängerungshülse (10) eine zylindrische Verlängerung (13) mit zur Leitung (1) paralleler Wand aufweist und daß die transversale Blende (15) am Übergang zwischen der Hülle (10) und dieser zylindrischen Verlängerung (13) angeordnet ist.