DE2811349A1

DE2811349A1 - Elektromagnetische pumpe fuer fluessiges metall

Info

Publication number: DE2811349A1
Application number: DE19782811349
Authority: DE
Inventors: Daniel Fraser Davidson
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1978-09-28
Also published as: FR2385254B1; IT1156929B; JPS6350951B2; JPS53119408A; IT7867633A0; GB1556258A; FR2385254A1; US4177015A; DE2811349C2

Description

78 020 Kü/u

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11 Charles II Street,

London SWlY 4QP / England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 12345/77 vom 23. März 1977 beansprucht.

Elektromagnetische Pumpe für f1üss i ges Metal 1

Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Pumpen zum Pumpen von flüssigem Metall, wie beispielsweise Natrium,

In der DE-OS 23 20 522 sind elektromagnetische Pumpen für flüssiges Metall beschrieben, die je einen Kern innerhalb eines Gehäuses aufweisen, so daß ein ringförmiger Strömungskanal für das flüssige Metall gebildet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Kern und bei einem zweiten Ausführungsbeispiel das Gehäuse drei Schraubenwindungen bzw. Wendel, die am einen Ende mit einem dreiphasigen elektrischen Versorgungsnetz verbindbar und durch eine Sternpunktverbindung am anderen Ende untereinander verbindbar sind. Die Windungen weisen schrauförmig gewundene Stapel von Kupferstreifen auf, die gegenüber ihren Lokalisierungsschlitzen im Kern oder Gehäuse, je nachdem, und gegenüber einem Edelstahlmantel zum Umschließen des Kerns bzw. zum Auskleiden des Gehäuses isoliert sind. Der Mantel soll die Windungen bzw. Wendel und deren Isolierung vor einer Berührung mit dem flüssigen Metall schützen.

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Erfindungsgemäß wird eine elektromagnetische Pumpe für flüssiges Metall geschaffen, die einen zentralen Kern innerhalb einer Bohrung in einem Pumpengehäuse aufweist, wobei der Kern koaxial zur Bohrung angeordnet ist, um einen ringförmigen Strömungskanal zwischen der Wandoberfläche des Kerns und der Wandoberfläche der Bohrung zu bilden, sowie ferner mehrphasige Schraubenwindungen aufweist, die koaxial zum Kern angeordnet sind, wobei die Schraubenwindungen in mit gleichmäßigen Winkelabständen vorgesehenen schraubenförmigen Schlitzen in einer der Wandoberflächen sitzen, wobei die Windungen jeder Phase eine Vielzahl von Schleifen eines metal 1ummantelten, mineralisolierten elektrischen Leiters aufweisen, die in Reihe geschaltet sind und sich jeweils in Längsrichtung zur Umfangswand innerhalb eines gesonderten Paares von sich diametral gegenüberliegenden Schlitzen erstrecken und jede Windung mit einem äußeren elektrischen Versorgungsnetz verbindbar ist.

Die Erfindung führt zu einer elektromagnetischen Pumpe mit einem zentralen Kern innerhalb einer Bohrung eines Pumpengehäuses, wobei der Kern koaxial zur Bohrung angeordnet ist, um einen ringförmigen Strömungskanal zwischen der Wandoberfläche des Kerns und der Wandoberfläche der Bohrung zu bilden, sowie mit dreiphasigen Schraubenwindungen, die koaxial zum Kern angeordnet sind, wobei die Schraubenwindungen in sechs mit gleichmäßigem Winkel abstand voneinander angeordneten schraubenförmigen Schlitzen in der Oberfläche des Kerns sitzen und die Windungen jeder Phase eine Vielzahl von Schleifen eines metal 1ummantelten, mineralisolierten elektrischen Leiters aufweisen, die in Reihe geschaltet sind und sich jeweils in Längsrichtung zur Wandoberfläche des Kerns innerhalb eines gesonderten Paares von sich diametral gegenüberliegenden Schlitzen erstrecken, wobei jede Windung an ein äußeres elektrisches Versorgungsnetz anschließbar ist.

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Eine dreiphasige elektromagnetische Pumpe gemäß der Erfindung hat einen größeren Wirkungsgrad als die Pumpen, die in der DE-OS 23 20 522 beschrieben sind, da die sich in jeder Richtung entlang dem Kern erstreckenden Windungen die Feldverteilung glätten und, da sie in direktem Kontakt mit dem flüssigen Metall stehen, den Magnetspalt reduzieren. Da ferner die Windungen sowie die Kern- und Bohrungsoberfläche in gutem Wärmekontakt mit dem flüssigen Metall stehen, kann der Leiter ohne überhitzung eine hohe Stromdichte führen. Die Windungen jeder Phase, die aus Mehrfachschleifen des in Reihe geschalteten Leiters zusammengesetzt sind, ermöglichen es, daß eine ausreichende Stromdichte mit relativ geringer Strombelastung erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel einer elektromagnetischen Pumpe gemäß der Erfindung wird nunmehr anhand der schematischen Zeichnung beschrieben, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt,

Fig. 2 ein Teilstück des Kerns der elektromagnetischen Pumpe nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Kernreaktor, in welchem die Pumpe verwendet wird.

Die in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Pumpe weist einen zentralen Kern 1 innerhalb einer Hülle 2 auf, die beide aus ferromagnetischem Stahl bestehen, z.B. einem 9%- oder 13%-Chromstahl, mit einer Bohrung 3. Der Kern ist koaxial zur Bohrung angeordnet, um einen ringförmigen Strömungskanal 4 zwischen der Wandoberfläche des Kerns und der Bohrungsoberfläche der Hülse zu bilden. Dreiphasige Schraubenwindungen 5 sind koaxial zum Kern angeordnet, wobei die Schraubenwindungen in sechs mit gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordneten schraubenförmigen Schlitzen 6 sitzen, die in die Oberfläche des Kerns eingearbeitet sind. Die Windungen jeder Phase

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ORiGiNALINSPECTED

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weisen eine Vielzahl von Schleifen eines mit Edelstahl ummantelten, mineralisolierten Kabels einer im Handel erhältlichen Gattung, wie diese normalerweise für die Verwendung bei einer Instrumentierung in heißen Umgebungen hergestellt wird,auf, v/obei die Schleifen in Reihe geschaltet sind und sich in jeder Längsrichtung entlang der Wandoberfläche des Kerns innerhalb eines gesonderten Paares von sich gegenüberliegenden Schlitzen erstrecken. In Fig. 2 ist ein Schlitz 6 dargestellt, der neun Kabelschleifen enthält. Das Kabel weist einen Edelstahlmantel 14 und einen Kupferleiter 15 mit einer Magnesiumoxid-Isolierung 16 auf. Jede Schleife ist durch Drücken auf einen rechteckigen " Querschnitt von kleinerer Querschnittsfläche als der des Originalkabels gebracht und erstreckt sich nach der zeichnerischen Darstellung über einen Verbindungskasten 7 zu einer elektrischen Energiequelle 9. Drei Leitbleche oder Flügel 10 von nicht-magnetischem Material, die an der Außenseite des Kerns befestigt sind, erstrecken sich in Längsrichtung zum ringförmigen Strömungskanal 4, um kreisförmige Strömungskomponenten zu unterdrücken und den Kern in der Hülse zu zentralisieren. Die Pumpe sitzt in einer Flüssigmetalleitung 11 mit einer Einlaßöffnung 12 und einer Auslaßöffnung 13.

Wenn die dreiphasigen Schraubenwindungen mit einem elektrischen Dreiphasen-Versorgungsnetz verbunden sind, dann zwingt das erzeugte Magnetfeld das flüssige Metall durch die Leitung 11 über den ringförmigen Strömungskanal 4. Die beschriebene Pumpenkonstruktion, die zwar allgemein der in der DE-OS 23 20 beschriebenen Pumpe ähnlich ist, bietet einige Verbesserungsmerkmale. Die Windungen, die nunmehr in sechs mit gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordneten Schlitzen sitzen, wobei jede Windung sich auf zwei Wegen entlang der Wandoberfläche des Kerns oder der Bohrung erstreckt, vermeiden die Notwendigkeit einer Sternverbindung für das eine Ende jeder Dreiphasenwindung, und die abgeänderten Windungen glätten die Feldverteilung und erhöhen dadurch den Wirkungsgrad der Pumpe. Die Windungen, die aus metallummantelten, mineralisolierten

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Leitern bestehen, sind in hohem Maße beständig gegen Korrosion durch das flüssige Metall, so daß Schutzhülsen, die normalerweise zur Isolierung der Windungen gegenüber dem flüssigen Metall verwendet werden, nicht erforderlich sind, wodurch somit der Magnetspalt reduziert wird und sich ein größerer Wirkungsgrad ergibt. Da die Windungen, der Kern und die Bohrung in gutem Wä'rmekontakt mit dem flüssigen Metall stehen, kann der Leiter ohne überhitzung eine hohe Stromdichte führen. Die Windungen jeder Phase, die aus Vielfachschleifen von in Reihe geschalteten Leitern bestehen, ermöglichen es, eine ausreichende Stromdichte mit einer relativ geringen Strombelastung zu erzielen, und da sie von rechteckigem Querschnitt sind, ermöglichen sie die Verwendung eines größeren Querschnitts des Kupferleiters in jedem Schlitz, wodurch die Stromführungskapazität der Windungen erhöht wird.

Die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene elektromagnetische Pumpe findet Anwendung in einem mit flüssigem Metall gekühlten Schnei 1brüter-Kernreaktor, wie er beispielsweise in Fig. dargestellt ist. Die- Reaktorkonstruktion weist eine Kernbrennstoff-Baugruppe 21 auf, die in ein Schmelzbad 22 aus flüssigem Natrium-Kühlmittel in einem Primärbehälter 23 eingetaucht ist. Der Primärbehälter ist am Dach eines Aufnahmegewölbes 24 hängend angeordnet, und eine Vielzahl von Kühlmittelpumpen 25 und Wärmetauschern 26, von denen jeweils nur eine Pumpe und ein Wärmetauscher dargestellt sind, ist vorgesehen. Die Brennstoff-Baugruppe 21, die auf einem Haltegitter 27 sitzt, ist mit den Wärmetauschern in einem Kerntank 28 angeordnet, während die Pumpen 25, die Kühlmittel zum Haltegitter liefern, außerhalb des Kerntanks angeordnet sind. Die Brennstoff-Baugruppe weist eine Vielzahl von Unterbaugruppen auf, die vom Haltegitter in dichtem Abstand nebeneinander hochstehen. Regelstäbe 29 sowie eine Instrumentierung 30 durchdringen das Dach des Gewölbes. Eine Vielzahl von elektromagnetischen Pumpen 31 (nur eine dargestellt) dient dazu, Kühlmittel aus dem Bereich des Schmelzbades außerhalb des Kern-

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ORIGINAL IMSPtCTED

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tanks in den Tank zu pumpen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß das Kühlmittel über die Innenwandfläche des Tanks strömt.

Beim Betrieb des Kernreaktors wird Fl üssigmetal1-Kühl mittel, welches aus dem Bereich des Schmelzbades, der sich außerhalb des Kerntanks befindet, abgezogen wird, aufwärts durch die Brennstoff-Baugruppe in Wärmeaustausch mit dieser und von dort zu den Wärmetauschern in Wärmeaustausch mit einem sekundären Flüssigmetal1-Kühlmittel und von dort zurück zum Schmelzbad 2 geführt.

Bei einer Ausführungsform von Kernreaktoren ist der Verbindungskasten 7 unterhalb der Oberfläche des Schmelzbades 22 aus flüssigem Metall angeordnet, und Adern 8, die aus edelstahl ummantel ten , mineralisolierten Kabel bestehen, erstrecken sich nach einer Lieferquelle für elektrische Energie, die außerhalb des Gewölbes angeordnet ist, und zwar über dem Durchgang im Dach, der für die Instrumentierung 30 vorgesehen ist, wobei diese Kabel einen größeren Querschnitt als die Windungen 5 aufweisen, weil sie nicht in Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel stehen. Bei einer alternativen Ausführungsform von Kernreaktor erstrecken sich jedoch die mineralisolierten Windungen der elektromagnetischen Pumpen kontinuierlich vom Kern zur elektrischen Energiequelle, wobei die Windungen sowie Bereiche der Verlängerungen, die in das Schmelzbad aus flüssigem Metall eingetaucht sind, auf einen rechteckigen Querschnitt durch Drücken gebracht sind, während diejenigen Bereiche der Verlängerungen, die sich oberhalb des Spiegels des Schmelzbades befinden und daher nicht durch Wärmeaustausch mit flüssigem Metall gekühlt werden, einen größeren Querschnitt aufweisen.

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Elektromagnetische Pumpen der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Art werden außerdem in verschiedenen Größen im beschriebenen Kernreaktor für andere Zwecke verwendet: Pumpen von Proben des flüssigen Metalls, welches durch die Unterbautei1-gruppen fließt, nach Spaltproduktermittlungseinrichtungen, die außerhalb des Gewölbes 24 angeordnet sind, über die Instrumentierung 30; Hilfsabschalteinrichtungen, durch welche HiIfsregelstäbe, die oberhalb der Brennstoff-Baugruppe durch flüssiges Metall gehalten werden, welches durch elektromagnetische Pumpen zugeführt wird, werden bei Empfang eines Notsignals, welches die Abschaltung der Energie von den elektromagnetischen Pumpen einleitet, in die Brennstoff-Baugruppe fallen gelassen; sowie für Primärkühlmittel-Reinigungseinrichtungen, wobei das aus dem Schmelzbad abgezogene Kühlmittel durch Kühlfallen außerhalb des Gewölbes gepumpt wird und Verunreinigungen aus dem flüssigen Metall ausgefällt werden.

Elektromagnetische Pumpen, wie sie allgemein mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben sind, eignen sich insbesondere für die Verwendung in mit flüssigem Metall gekühlten Schnei 1brüter-Kernreaktoren, weil sie einen Hochtemperaturbetrieb vertragen, weil sie ferner von schlanker From sind und in kleinen Räumen untergebracht werden' können, und weil zur Wartung der Kern und die Windungen aus dem Gewölbe über einen relativ kleinen Dachdurchgang herausgenommen werden können, wobei sie nur die robuste Leitung 11 und die Hülle 2 zurücklassen.

Claims

PATENTANWALT Friedrich-Ebert-Str.

DIPL-ING. ROLF PüRCKHAUER

ο ρ ι j o / q

/.Ol I J4 J Telefon (0271) 331970

Telegramm-Anschrift: Patschub, Siegen

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United Kingdom Atomic 1 4. MRZ. 1978

Patentans prüche

^ Elektromagnetische Pumpe für flüssiges Metall mit einem in der Bohrung eines Pumpengehäuses koaxial angeordneten zentralen Kern, wobei zwischen dessen Wandoberfläche und der Wandoberfläche der Bohrung ein ringförmiger Strömungskanal vorgesehen ist, sowie mit mehrphasigen Schraubenwindungen, die koaxial zum Kern und in mit gleichen Winkel abständen vorgesehenen schraubenförmigen Schlitzen in einer der Wandoberflächen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (5) jeder Phase eine Vielzahl von Schleifen eines metal 1ummantelten, mineralisolierten elektrischen Leiters (15) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind und sich in Längsrichtung entlang der Wandoberfläche innerhalb eines gesonderten Paares von sich diametral gegenüberliegenden Schlitzen erstrecken, wobei jede Windung mit eir.em äußeren elektrischen Versorgungsnetz verbindbar ist.
2. Elektromagnetische Pumpe für flüssiges Metall mit einem in der Bohrung eines Pumpengehäuses koaxial angeordneten zentralen Kern, wobei zwischen dessen Wandoberfläche und der Wandoberf1äche der Bohrung ein ringförmiger Strömungskanal vorgesehen ist, sowie mit dreiphasigen Schraubenwindungen, die koaxial zum Kern und in sechs mit gleichen Winkelabständen vorgesehenen schraubenförmigen Schlitzen in der Oberfläche des Kerns angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Windungen (5) jeder Phase eine Vielzahl von Schleifen eines metal 1ummantelten, mineralisolierten elektrischen Leiters (15) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind und sich in Längsrichtung entlang der Wandoberfläche des Kerns innerhalb eines gesonderten Paares von sich diametral gegenüberliegenden Schlitzen erstrecken, wobei jede Windung mit einem äu3eren elektrischen Versorgungsnetz verbindbar ist.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (5) aus metal 1ummanteltem, mineralisoliertem elektrischem Leiter (15) von rechteckigem Querschnitt sind.
4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Flügeln oder Rippen (10) sich längsseits und radial zum ringförmigen Strömungskanal erstreckt.
5. Kernreaktor mit einer Kernbrennstoff-Baugruppe, die in ein Schmelzbad aus Flüssigmetal1-Kühlmittel eingetaucht ist, gekennzeichnet durch mindestens eine elektromagnetische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

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