DE2802577A1 - EQUIPMENT OR EQUIPMENT FOR USE IN A LIQUID ALKALIMETAL ENVIRONMENT - Google Patents
EQUIPMENT OR EQUIPMENT FOR USE IN A LIQUID ALKALIMETAL ENVIRONMENTInfo
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Description
20. JAN. 37820 JAN. 378
78 013 Kü/u78 013 Kü / u
United Kingdom Atomic Energy Authority, Patents Branch,United Kingdom Atomic Energy Authority, Patents Branch,
11, Charles II Street, London SWlY 4QP / Engl and 11, Charles II Street, London SWl Y 4QP / Engl and
Für diese Anmeldung wird die Priorität der britischen Patentanmeldung Nr. 4742/77 vom 4. Februar 1977 beansprucht. Priority to British Patent Application No. 4742/77 of February 4, 1977 is claimed for this application.
Gerät oder Einrichtung für die Verwendung in einer Umgebung aus flüssigem AlkalimetallDevice or device for use in a liquid environment Alkali metal
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät oder eine Einrichtung für die Verwendung in einer Umgebung aus flüssigem Al kai^metall .The invention relates to an apparatus or device for use in a liquid environment Al kai ^ metal.
Die Verwendung von flüssigen Alkalimetallen, wie beispielsweise Natrium, setzt sich nunmehr in der Industrie immer mehr durch. Beispielsweise wird in der Kernreaktorindustrie flüssiges Natrium als Mittel zur Förderung der Wärmeenergie von einem Kernreaktorkern zu einem Wärmeaustauschgerät verwendet, in welchem Dampf erzeugt und überhitzt wird. Wegen der von Haus aus vorhandenen Eigenart des Materials, insbesondere dann, wenn dieses im Temperaturbereich von 500-6000C betrieben wird, bilden Abnutzung, Reibkorrosion und hohe Reibungskoeffizienten zwischen Lagerflächen ein ernsthaftes Problem. Wärmeaustauscher, die mit Natrium verwendet werden, unterliegen diesem Problem besonders stark. Bei einem bekannten Natrium/Wasser-Wärmeaustauscher wurde ein Edelstahl mit 9 % Cr und 1 % Mo für dieThe use of liquid alkali metals, such as sodium, is now becoming more and more popular in industry. For example, in the nuclear reactor industry, liquid sodium is used as a means of conveying thermal energy from a nuclear reactor core to a heat exchange device in which steam is generated and superheated. Because of the presence of house nature of the material, especially when this is operated in the temperature range of 500-600 0 C, wear, friction corrosion and high coefficient of friction between the bearing surfaces form a serious problem. Heat exchangers used with sodium are particularly vulnerable to this problem. In a known sodium / water heat exchanger, a stainless steel with 9% Cr and 1 % Mo was used for the
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Wärmeaustauschrohre ausgewählt, weil dieses Material einen hohen Widerstand gegen Beanspruchungs- bzw. Belastungskorrosionsbruch, Grübchenkorrosion 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. Verschiedene Materialien sind verwendet und vorgeschlagen worden für die komplementären Lagerflächen, z. B. stabilisierter Edelstahl mit 2,25 % Cr und 1 % Mo, Nickellegierungen, wie beispielsweise Inconel 718 (eingetragenes Warenzeichen), Stellit und Chromkarbid, aber keiner dieser Lagerflächenwerkstoffe ist zufriedenstellend, wenn er mit Edel stahl rohren verwendet wird.Heat exchange tubes are chosen because this material offers high resistance to stress corrosion fracture, pitting corrosion and carbon depletion, but when the tubes are in bearing contact with complementary bearing surfaces that provide lateral support for the tubes, there is a tendency for the alloy steel to carry over the complementary storage area. Various materials have been used and proposed for the complementary bearing surfaces, e.g. B. stabilized stainless steel with 2.25 % Cr and 1 % Mo, nickel alloys such as Inconel 718 (registered trademark), stellite and chrome carbide, but none of these bearing surface materials are satisfactory when used with stainless steel pipes.
Erfindungsgemäß weist bei einem Gerät bzw. einer Einrichtung für die Verwendung in einer Umgebung aus flüssigem Alkalimetall mit Teilen, die komplementäre Lager- oder Reibflächen aufweisen, der eine der Teile eine Lagerfläche aus Edelstahl auf, während der andere Teil eine aluminisierte komplementäre Lagerfläche aufweist.According to the invention, in a device or a device for use in a liquid alkali metal environment with parts that have complementary bearing or friction surfaces have, one of the parts has a bearing surface made of stainless steel, while the other part is an aluminized complementary Has storage area.
Es hat sich durch Versuch herausgestellt, daß bei Verwendung einer Edel stahl lagerfläche 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 found by experiment that when using a stainless steel bearing surface with an aluminized complementary one Storage area in an environment of liquid sodium little wear and tear of the surfaces occurs, the signs of wear and tear remain relatively smooth and the coefficient of friction is low compared to the wear, smoothness and frictional properties with conventional storage areas.
Es ist anzunehmen, daß das außergewöhnlich gute Verhalten dieser Werkstoffe durch die relativ leichte Bildung von Natriumaluminat durch Reaktion mit dem sauerstoffhal tigen Natrium hervorgebracht wird; das Natriumaluminat dient als Schmiermittel.It can be assumed that the exceptionally good behavior of these materials due to the relatively easy formation of sodium aluminate is produced by reaction with the oxygen-containing sodium; the sodium aluminate acts as a lubricant.
Bei einem bevorzugten Gerät nach der Erfindung weist die komplementäre Lagerfläche eine aluminisierte Legierung aufIn a preferred device according to the invention, the complementary bearing surface comprises an aluminized alloy
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Nickelbasts auf.Nickelbasts on.
Die Erfindung umfaßt ein Gerät bzw. eine Einrichtung zur Verwendung beim Wärmeaustausch mit einem Rohrkessel-Wärmetauscher zur Durchführung eines Wärmeaustausches zwischen flüssigem Natrium, welches durch den Kessel fließt, und Wasser, welches durch die Rohre fließt, wobei die Rohre seitlich zwischen ihren Enden durch relativ zueinander verschiebbare Lagerflächen abgestützt werden und wobei die Rohre aus Edelstahl bestehen und die Lagerflächen aluminisiert sind.The invention comprises a device or a device for Use when exchanging heat with a tubular boiler heat exchanger to carry out a heat exchange between liquid sodium flowing through the boiler and water, which flows through the pipes, with the pipes laterally between their ends by sliding relative to each other Storage surfaces are supported and the tubes are made of stainless steel and the bearing surfaces are aluminized.
Bei einem bevorzugten Rohrkessel-Wärmetauscher gemäß der Erfindung bestehen die Lagerflächen für die Rohre aus einer aluminisierten Legierung auf Nickelbasis.In a preferred tube boiler heat exchanger according to FIG According to the invention, the bearing surfaces for the tubes are made of an aluminized nickel-based alloy.
Die Erfindung findet auch Anwendung bei einer Wärmeaustauscheinrichtung in Form einer Brennstoff-Untergruppe für einen mit flüssigem Metall gekühlten Schnei 1 brüter-Kernreaktor, mit einem Bündel von im Abstand voneinander angeordneten Brennstoffstäben innerhalb einer rohrförmigen Ummantelung, wobei die Stäbe seitlich durch eine Reihe von zellenförmigen Gittern abgestützt werden, bei denen jeder Stab eine einzelne Zelle jedes Gitters belegt, und wobei die Brennstoffstäbe Edelstahlmäntel aufweisen und die zellenartigen Gitter aus einer Nickellegierung mit aluminisierten Lagerflächen für die Stäbe bestehen.The invention also finds application in a heat exchange device in the form of a fuel sub-group for a liquid metal-cooled Schnei 1 breeder nuclear reactor, with a bundle of spaced apart fuel rods within a tubular jacket, the Bars supported laterally by a series of cellular grids with each rod occupying a single cell of each grid, and with the fuel rods having stainless steel jackets have and the cell-like grids made of a nickel alloy with aluminized storage areas for the bars.
Geräte und Einrichtungen gemäß der Erfindung werden nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigenDevices and devices according to the invention will now be described, for example, with reference to the drawing. Show it
Fig. 1 im Schnitt eine Teilseitenansicht eines Rohrkessel-Wärmetauschers, ■1 shows, in section, a partial side view of a tubular boiler heat exchanger, ■
Fig. 2 im Schnitt eine Teilseitenansicht von Wärmeaustausch· rohren mit seitlicher Abstützung für diese undFig. 2 is a partial side sectional view of heat exchange. pipes with side support for these and
Fig. 3 im Schnitt eine Teil seitenansicht einer Brennstoff-Untergruppe für einen mit flüssigem Metall gekühl-Fig. 3 is a partial sectional side view of a fuel sub-assembly for a liquid metal cooled
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ten Schnei 1brüter-Kernreaktor.ten snow breeder nuclear reactor.
Der Rohrkessel-Wärmetauscher nach Fig. 1 der Zeichnung ist für die Verwendung in einem Dampferzeugungskreislauf eines mit flüssigem Metall gekühlten Schnellbrüter-Kernreaktors bestimmt. Der Wärmetauscher weist einen im allgemeinen zylindrischen Kessel 1 auf, der am unteren Ende geschlossen und am geflanschten oberen Ende offen ist. Der Kessel weist eine Natrium-Einlaßöffnung 2 im Boden ,Seitenausl aßöffnunge'n 3, eine Ablaßöffnung 4 und eine Druckablaßverbindung 5 zur Verminderung des Drucks im Kessel im Falle einer Natrium-Wasser-Reaktion auf. Das offene Ende des Kessels weist eine geflanschte zylindrische Verlängerung 6 auf, die am oberen Ende geschlossen ist, wobei die Flansche des Kessels und der Verlängerung miteinander verschraubt und am Umfang mit einer leichten Schweißnaht bei 7 abgedichtet sind. Die Wärmeaustauschrohre 8 sind U-förmig ausgebildet, wobei sie Schenkel von ungleicher Länge aufweisen, und sind innerhalb des Kessels an der Verlängerung 6 hängend angeordnet. Die längeren Schenkel 8a erstrecken sich entlang der Verlängerung, um durch den Enddeckel hindurchzutreten, der damit eine innere Rohrplatte 9 bildet, und die kürzeren Schenkel durchdringen den Flansch der Verlängerung, der eine ringförmige äußere Rohrplatte 10 bildet. Die Rohre sind durch einen ringförmigen Mantel 11 umgeben, der durch zwei koaxial angeordnete zylindrische Bauteile 11a, 11b begrenzt wird, und ein zylindrischer Leitkörper 12 wird von der inneren Rohrplatte getragen und erstreckt sich koaxial innerhalb des Mantels 11 zwischen den langen iund kurzen Schenkeln der Rohre. Der Natrium-Strömungsweg vom der Einlaßöffnung am Boden des Kessels verläuft aufwärts durch den inneren zylindrischen Bauteil 11b des Mantels nach einem 'Verteiler 13 in der Verlängerung 6, von dort abwärts über die langen Schenkel der Rohre, aufwärts über die kurzen Schenkel, uim von dort den Kessel über die Auslaßöffnungen 3 zu verlassen. Die langen und kurzen Schenkel der U-Rohre sind mit Auslaß- und Ein!aß-Dampf-Sammelräumen 14 bzw. 15 verbunden. Die U-Rohre 8 bestehen aus einer Stahl!egierung mit 9 % Cr und 1 % MoThe tube boiler heat exchanger according to FIG. 1 of the drawing is intended for use in a steam generation circuit of a fast-breeder nuclear reactor cooled with liquid metal. The heat exchanger comprises a generally cylindrical vessel 1 which is closed at the lower end and open at the flanged upper end. The boiler has a sodium inlet opening 2 in the bottom, Seitenausl aßöffnungen 3, a discharge opening 4 and a pressure relief connection 5 for reducing the pressure in the boiler in the event of a sodium-water reaction. The open end of the kettle has a flanged cylindrical extension 6 which is closed at the top, the flanges of the kettle and the extension being screwed together and sealed around the periphery with a light weld at 7. The heat exchange tubes 8 are U-shaped, with legs of unequal length, and are arranged hanging on the extension 6 inside the boiler. The longer legs 8a extend along the extension to pass through the end cover which forms an inner tube plate 9 therewith, and the shorter legs penetrate the flange of the extension which forms an annular outer tube plate 10. The tubes are surrounded by an annular jacket 11 which is delimited by two coaxially arranged cylindrical components 11a, 11b, and a cylindrical 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 flow path from the inlet opening at the bottom of the boiler runs upwards through the inner cylindrical component 11b of the shell to a 'distributor 13 in the extension 6, from there downwards over the long legs of the pipes, upwards over the short legs, and from there to leave the boiler via the outlet openings 3. The long and short legs of the U-tubes are connected to outlet and inlet steam collecting spaces 14 and 15, respectively. The U-tubes 8 consist of a steel alloy with 9 % Cr and 1% Mo
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Der Rohrkomplex wird seitlich durch den zylindrischen Leitkörper 12 abgestützt, der von der Unterseite der inneren Rohrplatte 9 herabhängt. Der Leitkörper ist doppelwandig ausgebildet,um die Wärmeübertragung über ihn zu reduzieren, und es sind Polster 19 in Abständen zwischen der Innen- und Außenwand angeordnet, um diese während der Handhabung auf Abstand zu halten. Die Polster sind an die Innenwand angeschweißt, haben aber Gleitkontakt mit der Außenwand, um eine unterschiedliche lineare Wärmeausdehnung der Wände in axialer Richtung aufzunehmen. Innere und äußere ringförmige zellenartige Gitter 16,17 aus einer Stahl!egierung 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 19 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 tube complex is laterally supported by the cylindrical guide body 12, which hangs down from the underside of the inner tube plate 9. The guide body is double-walled in order to reduce the heat transfer through it, and there are disposed cushion 19 at intervals between the inner and outer walls, to keep them apart during handling. The cushions are welded to the inner wall, but have sliding contact with the outer wall in order to accommodate a different linear thermal expansion of the walls in the axial direction. Inner and outer ring-shaped cell-like grids 16, 17 made of a steel alloy with 2.25 % Cr and 1 % Mo are fastened to the inner and outer walls of the cylindrical guide body 12 at an axial distance from one another in order to provide lateral support for the tubes 8 to build. As shown in Figure 2, each cell of the grid includes a socket 18 of Inconel 718 (registered trademark) which has an aluminized bore 19 which provides a bearing surface for the tube to accommodate relative movement 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 oben genannten Material Inconel 718 mit bemerkenswertem Fehlen von Materialübertragung von Fläche zu Fläche, mit niedrigen Reibungsbeiwerten und unbedeutender Abnützung arbeiten.It has been found that 9 % Cr and 1% Mo alloy heat exchanger tubes in aluminized bushings made from the above Inconel 718 material operate with a remarkable lack of face-to-face transfer, low coefficients of friction and negligible 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 Oberzug auf der Basis von Ni Al ergibt, wird bevorzugt. Die Einsatzzusammensetzung kann aus einem inerten Träger, wie beispielsweise einem groben Aluminiumoxidpulver, reinem Aluminium oder einer aluminium-The aluminized storage surface can be diffused by Aluminum can be produced in the surface of the material, namely by an "insert" process, analogous to case hardening, executed in a sealed container. A low-activity insert that has a relatively thick cover on the Ni based on Al is preferred. The composition of the input can consist of an inert carrier, such as a coarse aluminum oxide powder, pure aluminum or an aluminum
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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.containing alloy and a halide, which creates a gas atmosphere within a sealed container, wherein the aluminum is transferred to the surface material by means of the gas phase.
Eine Wärmeaustauscheinrichtung in Form einer Brennstoff-Untergruppe für einen mit flüssigem Metall gekühlten Schnellbrüter-Kernreaktor ist in Fig. 3 dargestellt. Die Brennstoff-Untergruppe weist einen zentralen Brennstoffabschnitt 21, einen Lokalisierungsabschnitt 22 am unteren Ende und einen Neutronenabschirmabschnitt 23 am oberen Ende auf. Der Brennstoffabschnitt weist ein Bündel von im Abstand voneinander angeordneten langgestreckte-n Brennstoff stäben 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 von Flüssigmetallkühlmittel in Wärmeaustausch mit den Brennstoffstäben. Die Brennstoffstäbe weisen Rohre oder Hüllen aus Edelstahl der Type 316 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 zellenartigen 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 verschieben, 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 sub-assembly for a fast breeder nuclear reactor cooled with liquid metal is shown in FIG. 3. The fuel subgroup has a central fuel section 21, a Locating section 22 at the lower end and a neutron shielding section 23 at the top. The fuel section has a bundle of spaced apart elongated-n fuel rods 24, of which only one shown in Fig. 3 enclosed in a tubular kettle or jacket 25 of hexagonal cross-section are. The lower and upper ends of the shell define inlet and outlet openings for conducting liquid metal coolant in Heat exchange with the fuel rods. The fuel rods comprise Type 316 stainless steel tubes or casings containing heat generating nuclear fuel and are used in the The jacket is supported at its lower ends by a grid 26. The rods are laterally in the jacket by a series of cell-like Lattices 27 of honeycomb shape are supported, each rod being a single cell in each cellular lattice occupied and free to move in the longitudinal direction in order to accommodate different linear thermal expansion. The cell-like grids 27 are made of a nickel alloy (Inconel 718) and have aluminized holes to accommodate bearing surfaces for the bars to form. In a fast-breeder nuclear reactor cooled with liquid metal there is a fuel assembly group a plurality of the described fuel sub-groups immersed in a molten bath of the coolant of liquid sodium.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: G21C 13/08 |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |