DE2802577C2

DE2802577C2 -

Info

Publication number: DE2802577C2
Application number: DE2802577A
Authority: DE
Inventors: Charles Stanley Halebarns Hale Cheshire Gb Campbell
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-01-21
Publication date: 1989-05-18
Also published as: JPS6349158B2; DE2802577A1; FR2379744B1; GB1562642A; FR2379744A1; JPS5397660A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustausch einrichtung für die Verwendung in einer Umgebung aus flüssigem Alkalimetall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to heat exchange device for use in a liquid environment Alkali metal according to the preamble of patent claim 1.

Die Verwendung von flüssigen Alkalimetallen, wie beispielsweise Natrium, setzt sich nunmehr in der Industrie immer mehr durch. Beispielsweise wird in der Kernreaktor industrie flüssiges Natrium als Mittel zur Förderung der Wärmeenergie von einem Kernreaktorkern zu einem Wärmetauscher verwendet, in welchem Dampf erzeugt und überhitzt wird. Wegen der von Haus aus vorhandenen Eigenart des Materials, insbesondere dann, wenn dieses im Temperaturbereich von 500-600°C betrieben wird, bilden Abnutzung, Abrieb und hohe Reibungskoeffizienten zwischen Lagerflächen ein ernsthaftes Problem. Wärmetauscher, die mit Natrium betrieben werden, unterliegen diesem Problem besonders stark. Bei einem bekannten Natrium/Wasser-Wärmetauscher wurde ein Edelstahl mit 9% Cr und 1% Mo für die Wärmetauscherrohre ausgewählt, weil dieses Material einen hohen Widerstand gegen Beanspruchungs- bzw. Belastungskorrosionsbruch, Grübchenkorrision und gegen Kohlenstoffentzug bietet, doch wenn die Rohre in Lagerkontakt mit komplementären Lagerflächen stehen, die eine seitliche Stütze für die Rohre bilden, besteht eine Tendenz zur Übertragung des Legierungsstahls auf die komplementäre Lagerfläche.The use of liquid alkali metals, such as for example sodium, is now settling in industry more and more through. For example, in the nuclear reactor liquid sodium industry as a means of promoting Thermal energy from a nuclear reactor core to a heat exchanger used in which steam is generated and superheated. Because of the inherent nature of the material, especially if this is in the temperature range of 500-600 ° C is operated, form wear, abrasion and high Coefficient of friction between bearing surfaces a serious one Problem. Heat exchangers that run on sodium are particularly subject to this problem. With a known Sodium / water heat exchanger was a stainless steel with 9% Cr and 1% Mo selected for the heat exchanger tubes because of this Material has a high resistance to stress or Stress corrosion fracture, dimple corrosion and against Provides carbon removal, however, when the pipes are in contact with the bearing stand with complementary storage areas, one side Forming support for the pipes, there is a tendency for transmission of the alloy steel on the complementary bearing surface.

Wie aus dem Tagungsbericht der Reaktortagung 1970 vom 20.-22. April in Berlin, Seiten 285 bis 292, hervorgeht, sind verschiedene Materialien für komplementäre Lagerflächen verwendet und vorgeschlagen worden, z. B. stabilisierter Edelstahl mit 2,25% Cr und 1% Mo oder Nickellegierungen, wie beispielsweise Inconel 718 (eingetragenes Warenzeichen), aber keine dieser Lagerflächenwerkstoffe ist zufriedenstellend, wenn er in Verbindung mit Edelstahlrohren verwendet wird.As from the conference report of the reactor conference 1970 from 20-22 April in Berlin, pages 285 to 292 different materials used for complementary storage areas and has been proposed, e.g. B. stabilized stainless steel 2.25% Cr and 1% Mo or nickel alloys such as Inconel 718 (registered trademark), but none of these bearing surface materials is satisfactory, when used in conjunction with stainless steel pipes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abrieb und Reibung zwischen Edelstahlrohren und Haltegittern in flüssigem Alkalimetall wesentlich zu reduzieren.The invention is based, abrasion and the task Friction between stainless steel pipes and holding grids in liquid To significantly reduce alkali metal.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der genannten Gattung dadurch gelöst, daß die mit den aus Edelstahlrohren in Gleitkontakt stehenden Lagerflächen der Gitter aluminisiert sind.This object is achieved according to the invention in a device of the type mentioned solved in that with the Stainless steel tubes in sliding contact bearing surfaces of the Grids are aluminized.

Es hat sich durch Versuch herausgestellt, daß bei Verwendung einer Edelstahllagerfläche mit einer aluminisierten komplementären Lagerfläche in einer Umgebung aus flüssigem Natrium wenig Abnützung der Oberflächen auftritt, die Abnutzungsspuren relativ glatt bleiben und der Reibungsbeiwert gering ist im Vergleich zu der Abnutzung, Glätte und den Reibungseigenschaften bei herkömmlichen Lagerflächen.It has been shown by experiment that Use of a stainless steel storage surface with an aluminized complementary storage space in an environment of liquid Sodium little wear on the surfaces occurs Wear marks remain relatively smooth and the coefficient of friction is low compared to wear, smoothness and Friction properties with conventional bearing surfaces.

Es ist anzunehmen, daß das außergewöhnlich gute Verhalten dieser Werkstoffe durch die relativ leichte Bildung von Natriumaluminat durch Reaktion mit dem sauerstoffhaltigen Natrium hervorgebracht wird; das Natriumaluminat dient als Schmiermittel.It can be assumed that the behavior is exceptionally good of these materials due to the relatively easy formation of Sodium aluminate by reaction with the oxygen-containing Sodium is produced; the sodium aluminate serves as Lubricant.

Bei einer bevorzugten Einrichtung nach der Erfindung weist die Lagerfläche eine aluminisierte Legierung auf Nickelbasis auf.In a preferred device according to the invention the bearing surface has an aluminized one Nickel based alloy.

Die erfindungsgemäße Wärmeaustauscheinrichtung kann beispielsweise im Kern eines mit flüssigem Metall gekühlten Schnellbrüter-Kernreaktors zum Einsatz gelangen. Dabei ist ein Bündel von beabstandeten Brennstoffstäben innerhalb einer rohrförmigen Ummantelung angeordnet, wobei die Stäbe seitlich durch eine Reihe von zellenartigen Gittern abgestützt werden, in denen jeder Stab eine einzelne Zelle jedes Gitters belegt, und wobei die Brennstoffstäbe Edelstahlmäntel aufweisen. Bei dieser Anordnung bestehen die zellenartigen Gitter aus einer Nickellegierung mit aluminisierten Lagerflächen für die Stäbe.The heat exchange device according to the invention can for example in the core of a liquid Metal-cooled fast breeder nuclear reactor. There is a bundle of spaced fuel rods within a tubular Sheathing arranged, with the bars laterally through a series of cell-like grids are supported in which each rod occupies a single cell of each grid, and the Fuel rods have stainless steel jackets. In this arrangement exist the cell-like lattice from one Nickel alloy with aluminized bearing surfaces for the bars.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigtEmbodiments of the invention are in the drawing shown. It shows

Fig. 1 im Schnitt eine Teilseitenansicht eines Rohrkessel-Wärmetauschers, Fig. 1 is a fragmented sectional side view of a tube type heat exchanger,

Fig. 2 im Schnitt eine Teilseitenansicht von Wär metauschrohren mit seitlicher Abstützung für diese und Fig. 2 in section a partial side view of heat exchange tubes with lateral support for this and

Fig. 3 im Schnitt eine Teilseitenansicht einer Brennstoff-Untergruppe für einen mit flüssigem Metall gekühl ten Schnellbrüter-Kernreaktor. Fig. 3 shows in section a partial side view of a fuel sub-group for a fast-breeder nuclear reactor cooled with liquid metal.

Der Rohrkessel-Wärmetauscher nach Fig. 1 der Zeichnung ist für die Verwendung in einem Dampferzeugungskreislauf eines mit flüssigem Metall gekühlten Schnellbrüter-Kernreaktors be stimmt. Der Wärmetauscher weist einen im allgemeinen zylindri schen Kessel 1 auf, der am oberen offenen Ende mit einem Flansch versehen ist. Der Kessel weist eine Na trium-Einlaßöffnung 2 im Boden, Seitenauslaßöffnungen 3, eine Ablaßöffnung 4 und eine Druckablaßverbindung 5 zur Verminderung des Drucks im Kessel im Falle einer Natrium-Wasser-Reaktion auf. Das obere Ende des Kessels wird mit einer zylindrischen Verlängerung 6 abgeschlossen, wobei die Flansche des Kessels und der Verlängerung miteinander ver schraubt und am Umfang mit einer leichten Schweißnaht bei 7 abgedichtet sind. Die Wärmeaustauschrohre 8 sind U-förmig aus gebildet, wobei sie Schenkel von ungleicher Länge aufweisen, und sind innerhalb des Kessels an der Verlängerung 6 hängend angeordnet. Die längeren Schenkel 8 a erstrecken sich entlang der Verlängerung, um durch den Enddeckel hindurchzutreten, der damit eine innere Rohrplatte 9 bildet, und die kürzeren Schenkel 8 b durchdringen den Flansch der Verlängerung, der eine ringförmige äußere Rohrplatte 10 bildet. Die Rohre sind von einem ring förmigen Mantel 11 umgeben, der durch zwei koaxial angeordnete zylindrische Bauteile 11 a, 11 b gebildet wird; ein zylindri scher Leitkörper 12 wird von der inneren Rohrplatte getragen und erstreckt sich koaxial innerhalb des Mantels 11 zwischen den langen und kurzen Schenkeln der Rohre. Der Natrium-Strö mungsweg von der Einlaßöffnung am Boden des Kessels verläuft aufwärts durch das innere zylindrische Bauteil 11 b zu einem Verteiler 13 in der Verlängerung 6, von dort abwärts über die langen Schenkel der Rohre, aufwärts über die kurzen Schenkel, um von dort den Kessel über die Auslaßöffnungen 3 zu verlassen. Die langen und kurzen Schenkel der U-Rohre sind mit Auslaß- und Einlaß-Dampf-Sammelräumen 14 bzw. 15 verbunden. Die U-Rohre 8 bestehen aus einer Stahllegierung mit 9% Cr und 1% Mo. The tubular boiler heat exchanger according to FIG. 1 of the drawing is intended for use in a steam generation circuit of a rapid breeder nuclear reactor cooled with liquid metal. The heat exchanger has a generally cylindri's boiler 1 , which is provided with a flange at the upper open end. The boiler has a sodium inlet opening 2 in the bottom, side outlet openings 3 , a discharge opening 4 and a pressure relief connection 5 for reducing the pressure in the boiler in the case of a sodium-water reaction. The upper end of the boiler is closed with a cylindrical extension 6 , the flanges of the boiler and the extension being screwed together and sealed at the circumference with a slight weld at 7 . The heat exchange tubes 8 are U-shaped, having legs of unequal length, and are arranged hanging on the extension 6 within the boiler. The longer legs 8 a extend along the extension to pass through the end cover, which thus forms an inner tube plate 9 , and the shorter legs 8 b penetrate the flange of the extension, which forms an annular outer tube plate 10 . The tubes are surrounded by a ring-shaped jacket 11 , which is formed by two coaxially arranged cylindrical components 11 a , 11 b ; a cylindri shear guide body 12 is carried by the inner tube plate and extends coaxially within the jacket 11 between the long and short legs of the tubes. The sodium Strö mungsweg from the inlet opening at the bottom of the vessel extends upwardly through the inner cylindrical member 11b to a distributor 13 in the extension 6, from there downwards over the long legs of the tubes, upwards over the short leg to the thence Leave the boiler via the outlet openings 3 . The long and short legs of the U tubes are connected to outlet and inlet steam plenums 14 and 15 , respectively. The U-tubes 8 consist of a steel alloy with 9% Cr and 1% Mo.

Die Rohre werden seitlich durch den zylindrischen Leitkörper 12 abgestützt, der von der Unterseite der inneren Rohrplatte 9 herabhängt. Der Leitkörper ist doppelwandig aus gebildet, um die Wärmeübertragung über ihn zu reduzieren, und es sind Polster 19 in Abständen zwischen der Innen- und Außen wand angeordnet, um diese während der Handhabung auf Abstand zu halten. Die Polster sind an die Innenwand angeschweißt, ha ben aber Gleitkontakt mit der Außenwand, um eine unterschied liche lineare Wärmeausdehnung der Wände in axialer Richtung aufzunehmen. Innere und äußere ringförmige zellenartige Gitter 16, 17 aus einer Stahllegierung mit 2,25% Cr und 1% Mo sind an der Innen- und Außenwand des zylindrischen Leitkörpers 12 in axialen Abständen voneinander befestigt, um eine seitliche Abstützung für die Rohre 8 zu bilden. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist jede Zelle des Gitters eine Buchse 18 aus Inconel 718 (eingetragenes Warenzeichen) auf, die eine aluminisierte Bohrung 20 aufweist, welche eine Lagerfläche für das Rohr bildet, um eine Relativbewegung infolge einer linearen Wärmeausdehnung aufzunehmen und die Reibungsabnutzung des Rohrbündels als Folge einer durch die Strömung hervorgerufenen Vibration zu reduzieren.The tubes are supported laterally by the cylindrical guide body 12 , which hangs from the underside of the inner tube plate 9 . The guide body is formed from double walls to reduce the heat transfer through it, and pads 19 are arranged at intervals between the inner and outer walls to keep them at a distance during handling. The cushions are welded to the inner wall, but have sliding contact with the outer wall in order to absorb a different linear thermal expansion of the walls in the axial direction. Inner and outer annular cell-like grids 16, 17 made of a steel alloy with 2.25% Cr and 1% Mo are fastened to the inner and outer wall of the cylindrical guide body 12 at axial distances from one another to form a lateral support for the tubes 8 . As shown in Fig. 2, each cell of the grid has an Inconel 718 (registered trademark) bushing 18 which has an aluminized bore 20 which forms a bearing surface for the tube to accommodate relative motion due to linear thermal expansion and frictional wear of the tube bundle as a result of a vibration caused by the flow.

Es hat sich herausgestellt, daß Wärmetauscherrohre aus einer Legierung mit 9% Cr und 1% Mo in aluminisierten Buchsen aus dem obengenannten Material Inconel 718 mit bemerkenswertem Fehlen von Materialübertragung von Fläche zu Fläche, mit niedri gen Reibungsbeiwerten und unbedeutender Abnützung arbeiten.It has been found that heat exchanger tubes from a Alloy with 9% Cr and 1% Mo in aluminized bushings the above-mentioned material Inconel 718 with remarkable Lack of material transfer from surface to surface, with low work against friction coefficients and insignificant wear.

Die aluminisierte Lagerfläche kann durch Diffundieren von Aluminium in die Oberfläche des Materials erzeugt werden, und zwar durch ein "Einsatz"-Verfahren, analog dem Einsatzhärten, ausgeführt in einem abgedichteten Behälter. Ein Einsatz mit geringer Aktivität, der einen relativ dicken Überzug auf der Basis von Ni Al ergibt, wird bevorzugt. Die Einsatzzusammen setzung kann aus einem inerten Träger, wie beispielsweise einem groben Aluminiumoxidpulver, reinem Aluminium oder einer aluminium haltigen Legierung und einem Halogenid bestehen, welches eine Gasatmosphäre innerhalb eines abgedichteten Behälters erzeugt, wobei das Aluminium auf das Oberflächenmaterial mittels der Gasphase übertragen wird.The aluminized bearing surface can be diffused by Aluminum is generated in the surface of the material, and through an "insert" process, analogous to case hardening, carried out in a sealed container. A stake with low activity, which has a relatively thick coating on the Ni Al base is preferred. The operations together settlement can be from an inert carrier, such as a coarse alumina powder, pure aluminum or an aluminum containing alloy and a halide, which a Creates a gas atmosphere inside a sealed container, wherein the aluminum on the surface material by means of Gas phase is transferred.

Eine Wärmeaustauscheinrichtung in Form einer Brennstoff- Untergruppe für einen mit flüssigem Metall gekühlten Schnell brüter-Kernreaktor ist in Fig. 3 dargestellt. Die Brennstoff- Untergruppe weist einen zentralen Brennstoffabschnitt 21, einen Lokalisierungsabschnitt 22 am unteren Ende und einen Neutronen abschirmabschnitt 23 am oberen Ende auf. Der Brennstoffab schnitt weist ein Bündel von im Abstand voneinander angeord neten langgestreckten Brennstoffstäben 24 auf, von denen nur eines in Fig. 3 dargestellt ist, die in einem rohrförmigen Kessel oder Mantel 25 von sechseckigem Querschnitt eingeschlossen sind. Das untere und das obere Ende des Mantels bilden Einlaß- und Auslaßöffnungen zur Führung vom Flüssigmetallkühlmittel in Wärmeaustausch mit den Brennstoffstäben. Die Brennstoffstäbe 24 weisen Rohre oder Hüllen aus Edelstahl auf, die wärmeerzeugenden Kernbrennstoff enthalten, und sie werden im Mantel an ihren unteren Enden durch ein Gitter 26 abgestützt. Die Stäbe werden seitlich im Mantel durch eine Reihe von zellen artigen Gittern 27 von bienenwabenartiger Form abgestützt, wobei jeder Stab eine einzelne Zelle in jedem zellenartigen Gitter belegt und frei ist, sich in Längsrichtung darin zu verschie ben, um unterschiedliche lineare Wärmeausdehnung aufzunehmen. Die zellenartigen Gitter 27 bestehen aus einer Nickellegierung (Inconel 718) und haben aluminisierte Bohrungen, um Lagerflächen für die Stäbe zu bilden. In einem mit flüssigem Metall gekühlten Schnellbrüter-Kernreaktor ist eine Brennstoffbauteilgruppe mit einer Vielzahl der beschriebenen Brennstoff-Untergruppen in ein Schmelzbad des Kühlmittels aus flüssigem Natrium eingetaucht.A heat exchange device in the form of a fuel subassembly for a fast breeder nuclear reactor cooled with liquid metal is shown in FIG. 3. The fuel sub-assembly has a central fuel section 21 , a localization section 22 at the lower end and a neutron shielding section 23 at the upper end. The fuel section has a bundle of spaced apart elongated fuel rods 24 , only one of which is shown in Fig. 3, which are enclosed in a tubular boiler or jacket 25 of hexagonal cross section. The lower and upper ends of the jacket form inlet and outlet openings for guiding the liquid metal coolant in heat exchange with the fuel rods. The fuel rods 24 have stainless steel tubes or casings containing heat-generating nuclear fuel and are supported in the shell at their lower ends by a grid 26 . The bars are supported laterally in the shell by a series of cell-like grids 27 of honeycomb-like shape, each bar occupying a single cell in each cell-like grid and free to slide longitudinally therein to accommodate different linear thermal expansion. The cell-like grids 27 consist of a nickel alloy (Inconel 718) and have aluminized bores to form bearing surfaces for the bars. In a rapid breeder nuclear reactor cooled with liquid metal, a fuel component group with a large number of the described fuel subgroups is immersed in a melt pool of the coolant made of liquid sodium.

Claims

1. heat exchange device for use in a liquid alkali metal environment,

- with a bundle of spaced stainless steel tubes,
- With a tubular jacket receiving the tubes, which conducts the liquid alkali metal in heat exchange with the tubes, and
with a large number of cell-like grids that support the tubes in the jacket laterally,

each tube in its own cell being slidably seated in each grid, characterized in that the bearing surfaces of the grids ( 16, 17 ) which are in sliding contact with the stainless steel tubes ( 8 ) are aluminized.

2. Device according to claim 1, characterized in that the aluminized bearing surfaces from an aluminized Nickel-based alloy.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that each cell of the grid ( 16, 17 ) contains a socket ( 18 ) made of a nickel alloy and that each socket has an aluminized bore ( 20 ) which form the bearing surfaces.