DE2343143A1 - Thermoelement - Google Patents

Description

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Patentanwälte:
Dr. !ng.Wci^rAbitz

Dr. Dieter F. iVlorf 27. August 1973

Dr. Hans-A. Brauns B-1111

MOachM H, Pitoztauwntr. 21

ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION 430 Mountain Avenue, Murray Hill, N.J., Y.St.A.

Thermoelement

Der Betrieb von Kernreaktoren erfordert eine genaue Messung und Lenkung der Temperatur im Reaktor» Genaue Temp era turniessungen bei Kernreaktionsbedingungen sind jedoch nicht leicht erzielbar. Für den Einsatz in solchen Umgebungen ausgelegte Thermoelemente müssen bei verhältnismässig hohen Temperaturen, z. B. von etwa 1000 bis mindestens 2000° C, zufriedenstellend arbeiten und müssen eine Thermo-EMK abgeben, die bei starker Neutronenstrahlung nicht nachteilig beeinflusst wird.

Das einzige praktikable Mittel zur genauen Messung und Lenkung der Temperatur bei Kernreaktorarbeiten oder beim Prüfen von fteaktormaterialien im Pile stellen Thermoelemente dar. Das Thermoelement kann während eines solchen Einsatzes langzeitig Neutronenfluss ausgesetzt sein und kann Kernreaktionen unterliegen, die seine Zusammensetzung und dement-

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sprechend seine thermoelektrisehen Eigenschaften verändern.

Der Grad der in dem Thermoelement herbeigeführten Veränderung hängt von dem Neutronenfluss, der Einwirkdauer von Strahlung, dem Neutroneneinfangquerschnitt der Bestandteile des Thermoelements und der Halbwertszeit der gebildeten Isotope ab. Der Neutroneneinfangquerschnitt eines Kerns wird in Quadratzentimeter und aus Zweckmässigkeitsgründen gewöhnlich in der

—24· 2 Einheit barn (1 barn gleiche 10 cm ) ausgedrückt und gibt die Wahrscheinlichkeit wieder, mit der je Fluss- und Zeiteinheit ein Kern ein ankommendes Teilchen einfängt. Wenn, eine Kernreaktion zur Bildung eines radioaktiven Isotops führt, das dann in ein Isotop eines anderen Elements zerfällt, tritt eine Umwandlung von einem Element in ein anderes ein. In dem einen oder anderen Falle erzeugt eine Kernreaktion auch ein Isotop, das nicht radioaktiv ist. Hier stellt sich keine Umwandlung ein, bis das Isotop einer weiteren Kernreaktion unterliegt und ein radioaktives Isotop gebildet wird. Das Gesamtergebnis der Umwandlung von einem Element in ein anderes ist eine Veränderung der Zusammensetzung des Strahlung unterliegenden Materials. Bei einem Thermoelement-Material führt jede Veränderung der Zusammensetzung zu einer Veränderung der EMK. Auf diese Weise stellt ein Wolfram-Rhenium- Thermoelement, das bei gewöhnlichen Hochtemperatur- - Bedingungen brauchbar ist, bei den Bedingungen starken Neutfonenflusses nicht zufrieden, da die Elemente ziemlich rasch einer Umwandlung in Osmium unterliegen und die Thermo-EMK des Thermoelements sich ziemlich rasch verändert. Andererseits ist Platin/5 % Molybdän an Platin/0,1 % Molybdän für die Temperaturmessung in Kernreaktoren empfohlen worden, aber ein solches Thermoelement ist nur bis zu etwa 1500° C und möglicherweise für sehr kurze Einwirkzeiten von Temperaturen bis zu etwa 1700° C brauchbar (die letztgenannte Temperstur liegt schon ausserordentlich nahe beim Schmelzpunkt des Platin/O,1-%-Molybdän-Elements).

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Auch ein Molybdän-Niob-Thermoelement, das bei den Bedingungen von Neutronenstrahlung bei niedrigeren Temperaturen bis zu etwa 1000° C recht stabil ist, ist empfohlen worden, aber diese Kombination zeigt bei höheren Temperaturen einen beträchtlichen Abfall der Empfindlichkeit, und die Uerte der EMK in Abhängigkeit von der Temperatur sind wesentlich geringer als bei dem Molybdän-Ruthenium-Thermoelement gemäss der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung stellt ein Thermoelement zur Verfugung, das sich für den Einsatz bei Hochtemperaturbedingungen in Kernreaktoren und anderen Umgebungen, in denen Neutronenstrahlung vorliegt, eignet, wobei das eine Element des Thermoelements oder -paars im wesentlichen von Molybdän und das andere im wesentlichen von Ruthenium gebildet wird. Dieses Thermoelement eignet sich besonders gut für Temperaturmessungen bei Kernstrahlungsbedingungen im höheren Temperaturbereich von etwa 1000 bis 2000° G und auch 2150° C, ohne nachteiligen Auswirkungen in Bezug auf sein Ansprechen oder einer Schädigung auf Grund von Kernstrahlung bei den hohen Temperaturen, zu unterliegen.

Die Zeichnung zeigt graphisch einen Vergleich der EME-Werte als Funktion der Temperatur für ein Molybdän-Ruthenium-Thermoelement und ein Molybdän-Niob-Thermoelement im Bereich von 0 bis 2000° C.

Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.

Die erfindungsgemässe Thermopaar-Kombination von Molybdän und Ruthenium genügt den Anforderungen an ein Hochtemperatur-Thermoelement, das im Bereich von 0 bis 2000° C und auch 2150° C arbeitsfähig und für den Einsatz in Kernreaktoren oder im Umgebungen, in denen bei hoher Temperatur thermische Neutronenstrahlung vorliegt, insbesondere im Bereich von 1000 bis 2000° C, geeignet ist.

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Die Thermoelement-Elemente Molybdän und Euthenium werden von Kernstrahlung nicht nachteilig beeinflusst und haben hohe Schmelzpunkte in Form von 2610° C für Molybdän und 2^10° C für Euthenium und auch geringe Querschnitte für den Einfang thermischer Neutronen von 2,5 barn für Molybdän und 2,5 barn für Euthenium wie auch zu einem Thermopaar vereinigt eine gute Empfindlichkeit (ein gutes EMK-Ansprechen) bei erhöhten Temperaturen.■

Darüberhinaus hat die Molybdän/Euthenium-Kombination die Charakteristik einer hohen EMK als Funktion der Temperatur mit einer, wie in der Zeichnung gezeigt, fast linearen Kurve, während im Vergleich hierzu die ebenfalls in der Zeichnung erläuterte Molybdän/Niob-Kombination eine geringere EMK-Empfindlichkeit besitzt und im höhreren Temperaturbereich von etwa 1000 bis 2000° C ein beträchtliches Abfallen zeigt.

Das Ansprechen des Molybdän-an-Euthenium-Thermoelements in Form der EMK als Funktion der Temperatur im Vergleich mit dem Molybdän-an-Niob-Thermoelement erläutert weiter die folgende Tabelle (Bezugsübergang - Eeference Junction - 0° C).

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Temperatur, EMK von Molybdän an EMK von Molybdän an ⁰G Ruthenium, mV Niob, mV

0	0,00	0,00
100	0,64	0,64
200	1,59	1,62
$00	2,78	2,87
400	4,18	4,33
500	5,73	5,91
600 -	7,39	7,55
700	9,12	9,22
800	10,89	10,87
900	12,67	12,46
1000	14,43	14,06
1100	16,14	15,4-7
1200	18,28	16,74
1300	20,05	17,83
1400	21,81	18,80
1500	23,3	19,60
1600	24,8	20,27
1700	26,3	20,88
1800	27,5	21,42
1900	28,8	21,97
2000	29,8	22,77

Wie die obige Beschreibung zeigt, ist somit das Molybdän-Ruthenium-Thermoelement gemäss der Erfindung, sehr gut für den Einsatz bei der Messung hoher Temperaturen unter den Bedingungen von Kernstrahlung geeignet.

Unter der Definition, dass die Elemente des Thermoelements im wesentlichen von den vorliegenden Metallen gebildet werden, ist zu verstehen, dass ein Mitvorliegen anderer Bestandteile, die die wesentliche Natur des Werkstoffs nicht nachteilig beeinflussen, nicht ausgeschlossen sein soll.

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Claims (2)

1. 234 3 H 3 C

   ■ Patentanspruch e

   1J Für den Einsatz bei der Messung von Temperaturen bei _s Neutronenstrahlungsbedingungen geeignetes Thermoelement, dessen eines Element im wesentlichen von Molybdän und anderes Element im wesentlichen von Ruthenium gebildet wird.
2. 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im Temperaturbereich von 0 bis 2000° C arbeitsfähig ist.

   J. Element nach Anspruch 1 oder 2 mit besonderer Eignung für den Einsatz im Temperaturbereich zwischen 1000 und 2000° C.

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