DE3600645C2

DE3600645C2 -

Info

Publication number: DE3600645C2
Application number: DE3600645A
Authority: DE
Inventors: Siegfried 7515 Linkenheim De Malang
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1986-01-11
Filing date: 1986-01-11
Publication date: 1987-11-05
Also published as: DE3600645A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verringerung des MHD-Druckverlustes in dickwandigen Kanälen, die von einem Flüssigmetall durchströmt und senkrecht zur Strömungsrichtung von einem magnetischen Feld durchsetzt werden nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit dem sogenannten MHD-Druckverlust. Fließt Flüssigmetall durch ein Magnetfeld, so wird in ihm bei gegebenem Magnetfeld eine elektrische Spannung proportional zur Strömungsgeschwindigkeit induziert. Besteht über die ruhenden Kanalwände ein Kurzschluß zwischen den beiden Polen, dann fließt ein Kurschlußstrom.

Die Leistung dieses Kurschlußstromes muß von dem Flüssig metallstrom als zusätzliche Pumpleistung aufgebracht werden und tritt somit als sogenannter MHD-Druckverlust in Er scheinung. Bei konstantem Massenstrom erhöht sich dann der Druckabfall. Diese Erhöhung kann zu unzulässigen Spannungen in den Kanalwänden führen. Die Leistung des Kurzschlußkreises und damit gekoppelter Druckabfall, ist seinem elektrischen Widerstand umgekehrt proportional. Nicht leitende Kanalwände würden ihn also annähernd zu Null machen. Dies ist jedoch aus verschiedenen Gründen nicht zu realisieren. Zusammengefaßt treten also bei einer Flüssigmetallströmung in einem starken Magnetfeld sehr hohe Druckverluste auf. Diese MHD-Druckver luste sind in erster Näherung proportional zur Kanalwandstärke, welche durch den Innendruck und die zulässige Spannung nach unten begrenzt ist.

Dieses Problem hat man schon durch Minimierung der Strömungs geschwindigkeit, Optimierung der Kanalparameter und durch Aufbringung von Isolationsschichten auf der Innenseite der Kanalwand zu lösen versucht (Nuclear Engineering und Design/ Fusion, Vol. 1, 1984, S. 17-38). Diese Isolationsschicht muß jedoch mit dem Flüssigmetall verträglich sein und darf auch bei wechselnder Belastung nicht reißen, da das in Risse eindringende Flüssigmetall zu Kurzschlüssen mit der Kanalwand führen würde.

Bereits bekannt ist auch schon eine gattungsgemäße Einrichtung mit sandwichartigem Aufbau der Kanalwand (Blanket comparison and selection study, Final Re port 1984, ANL/FPP-84-1, Kap. 7.8.1.3), wobei sich ein dichter, metallener Liner über einen elektrischen Isolator auf der zur Aufnahme der mechanischen Beanspruchung dickwandigen Kanal wand abstützt. Dieser Liner muß sehr präzise angepaßt werden, damit er sich möglichst auf der gesamten Fläche abstützen kann. Bei unvollständiger Abstützung (z. B. in den Ecken) werden durch den Innendruck Zugspannungen in dem Liner ver ursacht. Mechanische Spannungen entstehen auch durch unter schiedliche Wärmedehnungen bei Temperaturänderungen. Durch die mechanische Beanspruchung entsteht sowohl die Gefahr von Rißbildung mit nachfolgend eindringendem Flüssigmetall als auch der Beschädigung des Isolators. Auf dieses Konzept wird in der später folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit Fig. 1 noch näher eingegangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten sandwichartigen Isolieraufbaues der Kanal wand zu vermeiden, jedoch die günstigen MHD-Druckverlust eigenschaften desselben durch Beibehalten des isolierten metallenen Liners an sich sicherzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 aufgeführt.

Durch eine solche erfindungsgemäße Ausbildung der Isolier schicht in Form eines Einschubkastens läßt sich der elek trische Widerstand für den Kurzschlußstrom stark erhöhen, der MHD-Druckabfall wird klein. Weiterhin lassen sich durch die besondere Ausbildung des Kastens in vorteilhafter Weise unzulässige Druckdifferenzen durch die Ausgleichsbohrungen bzw. Schlitze abbauen. Solche Druckdifferenzen können dann auftreten, wenn sich längs eines Strömungskastens das Mag netfeld ändert, so daß zwischen der Spaltströmung außen und der Kernströmung innen Druckunterschiede entstehen. Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber den bekannten Konzeptionen bestehen nun darin, daß ein ge trennter Einschubkasten weniger präzis gefertigt zu sein braucht und daß die Spannungsverhältnisse bei Temperatur schwankungen erheblich günstiger sind. Darüber hinaus ist eine gewisse Isolationswirkung gegen Thermoschocks bei Temperaturschwankungen gegeben. Der Einschubkasten ist vor allem separat fabrizierbar und kann dann getrennt in den Kühlkanal eingeschoben werden. Wie bereits erwähnt lassen sich damit geringe MHD-Druckverluste realisieren, die mechanische Belastung verringern und die Werkstoffaus wahl des Kastens nur nach Korrosionsgesichtspunkten ermög lichen. Die Werkstoffauswahl für die Kanalwände wird dabei primär nach Festigkeitsgründen möglich, da die Korrosions rate, die proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, in dem Spalt sehr klein ist. Letztlich läßt sich die Isolator schicht vom Kühlmittel sauber trennen und auf einfachste Weise überwachen, wobei durch den Vorschlag im Patentanspruch 6 sogar eine redundante Sicherheit der Isolier schicht ermöglicht wird.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt die

Fig. 1 den Sschnitt durch das Blanket eines Fusions reaktors mit Strömungskanälen in bekannter Sandwichbauart, die

Fig. 1a den Schnitt AA in der Fig. 1,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Strömungskanal mit eingesetztem Strömungskasten im Magnet feld nach der Erfindung, die

Fig. 2a den Schnitt BB in der Fig. 2 und die

Fig. 2b den Schnitt BB in der Fig. 2 in einer anderen Ausführung.

Die Fig. 1 zeigt in ihrem rechten Teil übereinanderliegende Strömungskanäle 1, die rechtwinklig zur Richtung des Magnet feldes 2 in der Wandung 3 vom Flüssigmetall als Kühlmittel zur Wärmeabfuhr durchströmt werden. Die Wandung 3 ist vom Flüssigmetall im Kanal 1 durch den metallenen Liner 4 ge trennt, der wiederum gegenüber der Wandung 3 durch die Keramik schicht 5 isoliert ist (siehe Fig. 1a). Wandung 3 und Liner 4 bestehen z. B. aus rostfreiem Stahl, die Keramikschicht 5 z. B. aus Al₂MgO₄. Die eingangs erwähnte Problematik hat zu dieser Ausbildung geführt, um durch die elektrische Trennung der dicken Wandung 3 vom Flüssigmetall den in ihm, den MHD-Druck verlust verursachenden induzierten Strom auf den relativ dünnen Liner 4 zu beschränken. Durch diese Entkoppelung von Tragestruktur 3 und Leiter bzw. Liner 4 wird der Stromfluß auf diesen beschränkt und der MHD-Druckverlust wird wesentlich geringer. Nachteilig ist bei dieser Ausführung jedoch, daß der Liner 4 in die Wandung 3 sehr präzise eingepaßt werden muß, um sich auf der gesamten Fläche abstützen zu können. Weiter erzeugen unterschiedliche Wärmedehnungen starke me chanische Beanspruchungen mit der Gefahr von Rißbildung und Beschädigung der Isolation.

Diese Schwierigkeiten haben nun wiederum zu der neuartigen Ausbildung der Kanalwände geführt, die in der Fig. 2 prin zipiell dargestellt ist. Dabei ist der Liner mehrwandig auf gebaut und als loser Einschub 10 in den Strömungskanal ein gebracht. Die dicke Wandung 6 gibt den Strömungskanal, der von dem Magnetfeld 7 senkrecht zu der Strömungsrichtung des Flüssigmetalles 15 durchsetzt wird. Das dargestellte Feld 7 erzeugt Ströme in Richtung der Pfeile 8 und 9. Der Liner be steht aus dem Einschubkasten 10, der doppelwandig aus der inneren Wandung 11, der äußeren Wandung 13 und der dazwischen liegenden Schicht 12 ausgebildet ist. Zwischen Einschubkasten 10 und Kanalwand 6 wird ein Spalt 14 gebildet, der auch vom Flüssigmetall, jedoch mit wesentlich niedrigerer Geschwindig keit durchströmt wird (siehe Fig. 2a).

Der Druckausgleich zwischen dem Kühlmittel bzw. Flüssigmetall 15 im Inneren des Einschubkastens 10 und dem Spalt 14 bzw. zwischen Strömung und Totzone erfolgt durch einen, die Wan dung des Kastens 10 in Längsrichtung durchsetzenden engen Schlitz 16, in dessen Bereich die Isolierschicht 12 vom Flüssigmetall 15 durch eine Abdeckung 17, Verschweißung oder anderweitige Verbindung der Zwischenwände 11 und 13 getrennt werden muß. Damit ist nun die Isolierschicht 12, wiederum aus z. B. Al₂MgO₄ vollständig durch die Wände 11 und 13 bzw. 17 aus z. B. rostreifem Stahl eingehüllt. Die Stirnseiten der Wände 11 und 13 werden um die Isolierschicht 12 hierum ver schweißt, um diese einzuhüllen. Wird ein Längsschlitz 16 zum Druckausgleich gewählt, so ist dessen Lage zum Umfang bzw. zur Richtung des Magnetfeldes 7 beliebig, werden Löcher gewählt, so müssen diese auf einer Mantellinie liegen. Soll der Druckausgleich durch viele kleine Löcher bewerkstelligt werden, so müssen diese an Stellen mit geringer Potentialdifferenz bzw. Spannung angeordnet sein. Möglich ist es auch, anstatt Schlitze 16 im Kasten 10 vorzusehen, diesen ganz als geöffnetes U auszubilden, wobei die Öffnung des U wegen der Potentialdifferenz parallel zur Magnetachse liegen muß. Diese Ausführung bietet sich insbesondere dann an, wenn der Kanalquerschnitt quadratisch oder rechteckig ist. Technisch kann der Einschubkasten 10 aus Doppelblechen mit Isolierschicht 12 dazwischen hergestellt werden, wobei die Bleche jeweils an allen Kanten miteinander verschweißt sind. Damit ist der Isolator auf einfachste Weise völlig vom Kühlmittel getrennt und jeglicher Kontakt der beiden miteinander wird vermieden.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Wandung des Ein schubkastens 10 ist in der Fig. 2b dargestellt. Hier ist innerhalb der Isolierschicht 12 aus Keramik eine zusätzliche Metallschicht 18 aus z. B. Nickel gelegen, von welcher eine elektrisch leitende Verbindung 19 zur Prüfung der Wandung des Kastens 10 isoliert nach außen führt und die von den Teilwandungen 11 und 13 isoliert ist.

Diese zusätzliche Schicht 18 bietet nun erhebliche Vorteile:

Zum einen ermöglicht sie eine verbesserte Fertigungsmöglich keit der miteinander zu verbindenen Schichten 11, 12 und 13 überhaupt, zum anderen öffnen sich dadurch Kontrollmöglich keiten der Funktion der Isolierung sowie eine redundante Sicherung der Isolation. Wenn die Isolationswirkung gut ist (im Betrieb oder bei der Fertigung), besteht kein elek trischer Durchgang zwischen ihr und den Wandungen 11 und 13, was ja mittels der Leitung 19 feststellbar ist. Ist jedoch eine der Stahlschichten 11 oder 13 defekt, so ergibt sich eine feststellbare elektrische Verbindung durch Diffusion des Flüssigmetalles in die Isolierschicht 12. Eine redundant sichere Isolation ist durch die Metallschicht 18 während des Betriebes gegeben, d. h. bei Fehlstellen in den Wandungen 11 oder 13 teilt die Metallschicht 18 die Isolierschicht 12 praktisch in zwei Hälften auf, wobei die Leckage auf die eine Hälfte beschränkt bleibt und an der Prüfschicht gestoppt wird.

Bezugszeichenliste 1 Strömungskanäle
2 Magnetfeld
3 Wandung
4 Liner
5 Keramikschicht
6 Kanalwand
7 Magnetfeld
8 Strömungspfeile
9 Strömungspfeile
10 Einschubkasten
11 innere Wandung
12 Isolierschicht
13 äußere Wandung
14 Spalt
15 Flüssigmetall
16 Schlitz oder Löcher
17 Abdeckung
18 Metall- bzw. Prüfschicht
19 elektrische Verbindung

Claims

1. Einrichtung zur Verringerung des MHD-Druckverlustes in dickwandigen Kanälen, die von einem Flüssigmetall durch strömt und senkrecht zur Strömungsrichtung von einem magnetischen Feld durchsetzt werden, z. B. in Kühlkanälen des Blankets eines Fusionsreaktors, durch Verwendung einer dünnen metallenen Schicht im Kanal, die dessen elek trisch leitfähiger Wandung gegenüber isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die metallene Schicht zusammen mit der Isolierung als Einschubkasten (10) ausgebildet ist, der in die dickwandigen Strömungskanäle unter Bildung eines Zwischenspaltes (14) zu deren Wandung (6) einschieb bar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschubkasten (10) in seiner Wandung sandwichartig aufgebaut ist, wobei diese aus einer inneren (11) und einer äußeren Wandung (13) besteht, zwischen denen eine Isolierschicht (12) z. B. aus Keramik angebracht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandung von einem Längsschlitz (16) oder einer Lochreihe parallel zur Strömungsrichtung durch setzt ist, die den Innenraum des Einschubkastens (10) mit dem Spalt (14) zum Druckausgleich verbindet.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 für einen quadratischen oder rechteckigen Kanal, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einschubkasten (10) als offenes U ausge bildet ist, dessen offene Seite parallel zur Richtung des Magnetfeldes gelegen ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß innerhalb der Isolierschicht (12) eine gegenüber den Wandungen (11, 13) isolierte, weitere Metallschicht (18) gelegen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der isolierten weiteren Metallschicht (18) eine elektrisch leitende Verbindung (19) isoliert nach außen geführt ist.