DE69010959T2

DE69010959T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung des Eutektikums Lithium-Blei, bestehend aus 17% Lithium und 83% Blei.

Info

Publication number: DE69010959T2
Application number: DE69010959T
Authority: DE
Inventors: Raymond Blanc
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPH02290932A; FR2645545B1; EP0392910B1; EP0392910A1; FR2645545A1; DE69010959D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Lithium-Blei-Eutektikums der Zusammensetzung 17 Atome Lithium für 83 Atome Blei, die bekannt und für die sehr interessante Verwendung im Kernenergiebereich geeignet ist.
Tatsächlich ist dieses Eutektikum, das seinen Schmelzpunkt bei einer relativ niedrigen Temperatur gleich 235ºC hat, in den Reaktoren mit kontrollierter Schmelze verwendbar und das aus zwei Gründen. Einerseits ermöglicht es sein niederer Schmelzpunkt, es leicht als Kühlflüssigkeit mit großer Wärmekapazität zu verwenden, andererseits macht es auch die Tatsache, daß es Lithiun enthält, sehr interessant als Bestandteil des Brütermantels, da inan ja weiß, daß Lithium sich in Tritium umwandelt, gemäß der Reaktion (n, x):
n10 + Li63 T He42 + T31
n10 + Li73 T He42 + T31 + n10
unter der Wirkung von Neutronen, die durch die Schmelzreaktion hergestellt wurden. Nun ist Tritium, wie man weiß, eines der beiden Wasserstoffisotope, die in einer der günstigsten Schmelzreaktionen einwirken können.
Momentan wird das Eutektikum Li-Pb (17%-83%) durch Zufügen von Lithium zu Blei erhalten, nachdem diese beiden Metalle bis zu ihren entsprechenden Schmelztemperaturen erhitzt wurden, und indem inan sie mithilfe eines bekannten Rührgeräts durchmischt, zum Beispiel einem Arm, der mit Schaufeln ausgestattet ist und durch einen Motor angetrieben wird.
Jedenfalls ist ein solches Durchmischen nicht ausreichend wirksam, um eine gute Ausbeute des Eutektikums Li(17%)-Pb(83%) zu erhalten, weil ein Teil dieser beiden Metalle in verschiedenen Anteilen als denen des Eutektikums 17%-83% gemischt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft genau ein Verfahren zur Herstellung von einem Lithium-Blei-Eutektikum Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3;, das es mithilfe von besonders leicht einsetzbaren Geräten ermöglicht, die Mischung der beiden Metalle im flüssigen Zustand beträchtlich zu verfeinern und zu einer strengen Mengenkontrolle des einen und des anderen der beiden, im Kern des Eutektikums verbundenen, Metalle zu gelangen.
Dieses Verfahren zur Herstellung des Lithium-Blei- Eutektikums der Eormel Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; durch Mischung dieser beiden geschmolzenen Metalle im flüssigen Zustand ist dadurch gekennzeichnet, daß man zu einer flüssigen Metallphase, ursprünglich aus reinem Blei zusammengesetzt und entlang einem geschlossenen Kreislauf zirkulierend, der zwei unterschiedliche aufeinander folgende Zonen des Durchmischens (Z&sub1;, Z&sub2;) umfaßt, fortschreitend im Kern selbst der ersten Zone des Durchmischens (Z1) geringe und kontrollierte Mengen geschmolzenen Lithiums hinzufügt, bis diese Einheit der zirkulierenden geschmolzenen flüssigen Metallmasse eine Zusammensetzung hat, die genau den Anteilen des Eutektikums Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; entspricht, und daß das Zirkulieren der flüssigen Metallphase durch eine elektromagnetische Pumpe (13) ausgeführt wird, die in diese flüssige Phase eingetaucht ist, deren Eingang mit einem Mischrohrkopf in Form eines Trichters (16) ausgestattet ist, der die erste Zone des Durchmischens (Z&sub1;) bildet, und deren Körper, der von der flüssigen Metallphase durchlaufen wird, die zweite Zone des Durchmischens (Z&sub2;) bildet.
Die Tatsache, von einer reinen geschmolzenen Bleilösung auszugehen, zu der man fortschreitend geringe und in gebührender Weise kontrollierte Mengen Lithium zufügt, ermöglicht es, mit Gewißheit das erste Eutektikum der Formel Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; zu erhalten, das man auf der Gleichgewichtskurve Lithium-Blei wiedererkennen kann, wie man sich überzeugen kann, indem man sich auf Figur 1 bezieht, welche diese Kurve zeigt.
Die Tatsache, mit einer flüssigen Masse in Schmelze zu arbeiten, die in einem Behälter entlang einem geschlossenen Weg zirkuliert, dessen Länge sie durchläuft, mit zwei verschiedenen Stellen, zwei nachfolgenden Rührgeräten, verbessert andererseits in beträchtlicher Weise die Homogenität der Mischung der beiden ausgeführten Metalle.
Tatsächlich ist es wohl bekannt, daß die Pumpen des flüssigen Metalls schon durch ihr Funktionsprinzip selbst ein energetisches Durchmischen der flüssigen Metallmasse, die sie transportieren, durchführen. Wenn man außerdem am Eingang einer solchen Pumpe einen Mischrohrkopf in Form eines Trichters anordnet, der einen Wirbel im Abfluß des flüssigen Metalls hervorruft, erzeugt man also eine andere Zone des Durchmischens, die tatsächlich im Verlauf der Flüssigkeit die erste ist und deren Wirkung sich zu derjenigen der zweiten hinzufügt, die im Inneren der Pumpe angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso eine Apparatur für den Einsatz des Verfahrens zur Herstellung des Lithium-Blei- Eutektikums der Formel Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3;, das mithilfe eines einfachen und leicht einsetzbaren Materials die Herstellung dieses Eutektikums gemäß des vorhergehenden Verfahrens ermöglicht.
Diese Apparatur kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, daß sie:
- einen ersten Behälter im allgemeinen in verlängerter zylindrischer Form umfaßt, der bestimmt ist, das flüssige Lithium zu enthalten und mit:
a) Heizgeräten ausgestattet ist, um das Lithium in der Schmelze zu halten;
b) Geräten zur genauen Bestimmung des Niveaus des flüssigen Lithiums in dem Behälter ausgestattet ist;
c) in seinem oberen Teil mit einem Eingang zur Versorgung mit neutralem Gas ausgestattet ist, welches das freie Volumen über dem geschmolzenem Lithium überbrückt;
d) an seinem unteren Teil mit einer mit einem Ventil ausgestatteten Leitung ausgestattet ist, zum Ausfluß des flüssigen Lithiums auf einen zweiten Behälter oder eine Wanne, die nachfolgend erläutert werden;
- einen zweiten Behälter oder eine Wanne umfaßt, dazu bestimmt, die geschmolzene Metallmasse zu enthalten, die in permanentem geschlossenen Umlauf ist, und:
e) eine elektromagnetische Pumpe umfaßt, die in die geschmolzene Metallmasse eingetaucht ist und einen Eingang in Form eines Trichters umfaßt und einen Ausgang, der mit Röhren ausgestattet ist, zur radialen Diffusion in der Wanne der Flüssigkeit, die durch die Pumpe transportiert wird, um sie entlang einer geschlossenen Schleife zwischen dem Boden und der Spitze der Wanne zirkulieren zu lassen;
f) Heizgeräte umfaßt, um die Metallmasse in der Schmelze zu halten;
g) eine Leitung zum Entleeren umfaßt, die mit einem Ventil ausgerüstet ist, für das Entleeren des gebildeten Eutektikums.
Der erste Behälter im allgemeinen in gestreckter zylindrischer Form wird mit Lithium gefüllt und an seiner Spitze mit neutralem Gas versorgt, was es ermöglicht, entsprechend dem mehr oder weniger hohen Druck den Abfluß des flüssigen Lithiums in den zweiten Behälter oder die Wanne zur Zirkulation und zur Bildung des eigentlichen Eutektikums zu regulieren; ein elektrischer Widerstand oder erwärmendes Rohr, das in diesen Behälter eingetaucht ist, ermöglicht es, die Kalorien abzugeben, die nötig sind, das flüssige Lithium in der Schmelze zu halten und eines der bekannten Geräte ermöglicht es, mit Präzission das Niveau des Lithiums in dem Zylinder zu messen und folglich die sehr genau Dosierung der Mengen dieses letzteren, die durch die Ausgangsleitung in den zweiten Behälter oder die Wanne überführt werden, der bestimmt ist, die geschmolzene, fortwährend in geschlossenem Kreislauf zirkulierende Metallmasse zu enthalten.
Ein solches Gerät zur Bestimmung des Niveaus kann zum Beispiel aus einer der Vorrichtungen gebildet werden, welche von dem französischen Patent EN 70 36 216 und EN 73 35 706 betroffen sind, die vom Anmelder stammen.
Gemäß der Erfindung ist die Wanne, die dazu bestimmt ist, die zirkulierende geschmolzene Metallmasse zu enthalten, ebenso mit einem elektrischen Widerstand oder einem erwärmenden Rohr ausgestattet, um das Metall in der Schmelze zu halten und befindet sich unter dem ersten zylindrischen Behälter, so daß sie das Lithium direkt durch die Gewichtskraft empfangt, welches von unteren Ausgang seiner Leitung stammt. Ebenso besetzt gemäß der Erfindung eine elektromagnetische Pumpe den zentralen Teil dieser Wanne, wobei der Eingang der Pumpe mit einem Trichter in Form eines Mischrohrkopfs ausgestattet ist, in welchen direkt die untere Ausgangsleitung des ersten Behälters mündet, der das Lithium enthält; die Ausgangsleitung der elektromagnetischen Pumpe ist mit radialen Leiträdern ausgestattet, um die flüssige Metallmasse in geschlossenem Kreislauf entlang der Wanne zirkulieren zu lassen, indem sie gegen den Eingang der elektromagnetischen Pumpe in Form eines Trichters zurücksteigt.
Jedenfalls wird die Erfindung besser begriffen, indem man sich auf die folgende Beschreibung bezieht, die dem Verfahren zur Herstellung des Eutektikums Lithium-Blei Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; folgt, wobei diese Beschreibung vor allem in anzeigender und nicht beschränkender Weise gemacht wird, indem man sich auf die Figuren 1 und 2 bezieht, auf welchen:
- Figur 1 die bekannten Gleichgewichtskurven Lithium-Blei darstellt, welche die verschiedenen auftretenden Eutektika zeigen;
- Figur 2 ein Schema des Prinzips der Apparatur ist, welche die Erfindung betrifft.
In Figur 1 hat man das bekannte Diagramm der Gleichgewichte Blei-Lithium dargestellt, wobei die Abszissen die entsprechenden Zusammensetzungen ausgehend links von reinem Lithium und rechts reinem Blei zeigen; die Ordinaten geben die Temperaturen in Grad Celsius an. Man hat mit dem Kreis A die sehr genaue Zusammensetzung des Eutektikums Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; auf dem unteren rechten Teil des Diagramms markiert und man stellt fest, wie vorher angezeigt, daß dieses Eutektikum das erste angetroffene ist, wenn man von reinem Blei ausgeht, zu dem man fortschreitend geringe und kontrollierte Lithiummengen hinzufügt. Das Diagramm zeigt, daß dieses Eutektikum bei 235ºC schmilzt. Dieses Diagramm beweist also wohl eines der Kennzeichen des Verfahrens, gemäß welchem man fortschreitend Lithium zu einer ursprünglich reinen geschmolzenen Bleimasse hinzufügt.
In Figur 2 hat man ein allgemeines und vereinfachtes Schema einer Einrichtung einer Apparatur entsprechend der Erfindung dargestellt. Im wesentlichen umfaßt diese Apparatur zwei übereinandergelagerte Behälter, nämlich: einen ersten Behälter im allgemeinen in der Form eines gestreckten Zylinders 1, der über eine Wanne 2 zur Herstellung des eigentlichen Eutektikums ragt.
Der erste Behälter 1 ist mit flüssigem Lithium 3 bis zu einem Niveau H gefüllt, das durch eine Vorrichtung zur Messung des Niveaus 4 kontrolliert wird, die zum Beispiel eine unmagnetische Röhre sein kann, welche eine Induktionsspule umfaßt, wobei es selbstverständlich ist, daß alle anderen bekannten Geräte ebenso verwendet werden können. Der Behälter 1 umfäßt ebenso ein erwärmendes Rohr 5, welches es ermöglicht, das Lithium in der Schmelze zu halten.
Dieser Behälter 1 ist einerseits an seiner Spitze offen, wo er eine Rohrleitung 6 zur Einführung des neutralen Gases umfaßt, und andererseits an seinem Boden, wo er mit einer Ausgangsleitung 7 ausgerüstet ist, die mit einem Ventil 8 ausgestattet ist, für die Entleerung des geschmolzenen Lithiums in die Wanne 2. Diese Entleerung wird durch den Druck des am oberen Teil des Behälters 1 eingeführten neutralen Gases geregelt und die abgeleiteten Lithiummengen werden in präziser Weise mithilfe des Niveaumessers 4 abgeschätzt.
Die Wanne 2, welche ursprünglich das geschmolzene flüssige Blei enthält, wird durch das erwärmende Rohr 9 auf der nötigen Temperatur gehalten. Sie ist mit einer Öffnung 10 an ihrem oberen Teil ausgestattet und mit einer Leitung zur Entleerung des gebildeten Eutektikums 11, welche eine Wanne 12 an ihrem unteren Teil umfaßt. Im wesentlichen umfaßt die Wanne 2 in ihrem Zentrum eine elektromagnetische Pumpe 13, die dazu dient, das flüssige Metall in der Schmelze entlang einem geschlossenen Kreislauf, der durch die Pfeile F angezeigt ist, in Bewegung zu setzten. Sie umfäßt an ihrem Eingang 14 ein Teil 15 in Form eines Mischkopftrichters, der einen Wirbel erzeugt, welcher die erste Zone der Durchmischung Z1 der Einrichtung bildet.
Die Ausgangsleitung 7 des ersten zylindrischen Behälters bringt das geschmolzene Lithium direkt an die Spitze dieses Teils 15 in Form eines Trichters, was es folglich in der Zone Z1 ermöglicht, das erste energetische Durchmischen des Lithiums und des Bleis durchzuführen.
Die zweite Zone des Durcbmischens Z2 wird durch den Körper der elektromagnetischen Pumpe 13 selbst gebildet, welche die Mischung der beiden geschmolzenen Flüssigkeiten in ihrer Ausgangsleitung 16 zurückdrängt und in die Röhren 17 zur radialen Verteilung in der Wanne 2 der Mischung, welche sie verlassen.
Je nachdem, wie die Mischung Li/Pb des Behälters wieder in an der Pumpe 13 vorbei kommt, mit kontinuierlicher und kontrollierter Lithium-Zugabe, wird der Bleiüberschuß immer geringer, bis das Eutektikum Li 17%-Pb 83% in der Gesamtheit des Behältervolumens der Mischung erhalten wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung des Eutektikums Lithium-Blei der Formel Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; durch Mischen dieser zwei, geschmolzenen Metalle im flüssigen Zustand, dadurch gekennzeichnet, daß man zu dieser flüssigen Metallphase, die anfangs aus reinem Blei gebildet ist und entlang eines Weges mit geschlossenem Kreislauf zirkuliert, der zwei getrennte aufeinanderfolgende Umrührzonen (Z&sub1;, Z&sub2;) aufweist, mitten in die erste Umrührzone (Z&sub1;) geringe und gesteuerte Mengen an geschmolzenem Lithium hinzufügt, bis die gesamte, geschmolzene, flüssige Metallmenge im Umlauf eine Zusammensetzung hat, die genau den eutektischen Anteilen Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; entspricht, und daß der Umlauf der flüssigen Metallphase durch eine in diese flüssige Phase eingetauchte, elektromagnetische Pumpe (13) hergestellt wird, deren Einlaß mit einem trichterförmigen Rohrkopf (16) versehen ist, der die erste Umrührzone (Z&sub1;) bildet, und deren von flüssiger Metallphase durchflossener Körper die zweite Umrührzone (Z&sub1;) bildet.

2. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung des Eutektikums Lithium-Blei der Formel Li&sub1;&sub7;Pb&sub8;&sub3; gemäß dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen ersten Behälter (1) allgemein länglicher, zylindrischer Form, der bestimmt ist, das flüssige Lithium zu enthalten und versehen ist mit:

a) Heizeinrichtungen (5), um das Lithium in Schmelze beizubehalten;

b) Einrichtungen (4) zur genauen Erfassung des Pegels des flüssigen Lithiums in dem Behälter;

c) einem Zufuhreinlaß (6) an seinem oberen Teil für neutrales Gas, das sich über dem freien Volumen des geschmolzenen Lithium erstreckt;

d) an seinem unteren Teil eine mit einem Ventil (8) versehene Auslaßleitung (7) für das flüssige Lithium zu einem zweiten Behälter oder Bottich (2), der nachstehend deutlich angegeben ist;

- ein zweiter Behälter oder Bottich (2), der bestimmt ist, die geschmolzene, sich in fortlaufendem, geschlossenem Kreislauf befindende Metallmasse zu enthalten, und umfaßt:

e) eine elektromagnetische Pumpe (13), die in die geschmolzene Metallmasse eingetaucht ist und einen trichterförmigen Einlaß (15), der sich unter der Auslaßleitung (7) befindet, und einen Auslaß (16) aufweist, der mit radialen Diffusorröhren (17) in dem Behälter der Flüssigkeit versehen ist, die von der Pumpe (13) transportiert wird, damit sie in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem unteren Teil und dem oberen Teil umläuft;

f) Heizeinrichtungen (9), um die Metallmasse in Schmelze zu halten;

g) eine mit einem Ventil (12) ausgerüstete Austragsleitung (11) zum Austragen des gebildeten Eutektikums.