DE2105924A1 - Vorrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen - Google Patents

Description

Patentanwalt· Dlpl.-Ing. R. BEETZ umn.

Dr.-Ing. R.QEETZJr. 410-16.626P 9-2. 1971

β München 22, Stein«dorf«tr. 1·

Coemlssariat a 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Vorrichtung zur Verhinderung von Kavitations-

eracheinun^en

Erfindung bezieht sich auf eine Verrichtung zur Verhinderung von Kavitationaerscheinungen 1n einer leitung, die durch seitliche öffnungen in unterschiedlichen Zonen mit einem flüssigem Strömungsmedium unter Druck beaufschlagt wird und insbesondere in einem entsprechenden Brennelementfuß.

Eine besondere, wenn auch nicht ausschließliche Anwendung findet die Erfindung bei Brennstoffnr.ordnun^er oder -elementen für Kernreaktoren und insbesondere für P.eqktoren, die durch ein flüssiges Kühlmittel, wie geschmolzenes Natrium,

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gekühlt werden. Brennstoffelemente bzw. -anordnungen für diesen Anwendungsbereich haben üblicherweise einen bei Betrieb ie Reaktor vertikal angeordneten zylindrischen Pu3, in den das Natrium durch seitliche öffnungen eintritt, die in mehreren in verschiedenen Niveauhöhen vorgesehenen Horizontalreihen angeordnet aind. Bei seinem Eintritt durch diese Öffnungen erleidet das Natrium eine plötzliche Richtungsänderung praktisch um einen Wink#l von 90° - und strömt dann von unten nach oben in Sichtung der oberhalb des Fu3es montierten Brenn- _ etoffnadeln des Brennelements.

Die steigenden Anforderungen an Brennelemente in Kernreaktoren zur Erzielung höherer Leistungen unter Anwendung höherer Temperaturen und erhöhter Kühlmltteldurehsätze bedingen nun erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten für das zur Kühlung dienende Natrium.

Bine nähtre Untersuchung über das Strömungsverhalten des Kühlmittels in einer solchen Anordnung mit seitlichem, insbesondere über eine gewisse Höhe verteiltem FLüssigkeitszutrit* zeigt nun, daS im Bereich des Aufeinandertreffens der Flüssigkeitsetrahlen mit starker Turbulenz und einer erhöhten fc Kavitationagefahr zu rechnen ist.

Der fuß eines solchen Brennstoffelements wird also nicht nur mechanisch durch die auf ihm lastende Anordnung belastet, sondern er übernimmt auch hydraulische Punktionen, vor allem im Bereich der oberen öffnungen, wo die zutretenden Plüssigkeitsstrahlen mit der von'unteren öffnungen herkommenden aufsteigenden Strömung zusammentreffen und Kavitationsersoheinungen zu befürchten sind.

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Derartige Erscheinungen können für das gesamte Element schwerwiegende Polgen haben, wie eine Erosion gewisser Bauteile, die Entstehung τοη Schwingungen bzw. erheblichsm LHrm auf Grund der Resorption dar im Innern der Flüssigkeit gebildeten Blaser., was den Einsatz akustischer Vorrichtungen zum Siedenachweis im Natrium unmöglich macht, und schließlich besteht bei der möglicher. Ausbildung von Vlbrationen die Gefahr einer Beschädigung gewisser Teile des Elementes bzw. einer Beeinträchtigung des mechanischen Verhaltene der gesamten Anordnung.

Ziel der Erfindung let daher eine Ausschaltung dieser Störungen, insbesondere Im Bereich des Zusammentreffens der τοη den oberen Öffnungen ausgehenden Plüssigkeitsstrahlen mit der τοη den unteren Offnungen herkommenden Strömung, durch eine Bögliehet einfache, zusätzlich anzubringende Vorrichtung.

Die zu dieeem Zweck entwickelte Verrichtung ist gekennzeichnet durch ein längs der Achse der Tertikai engeordneten Leitung Torgeeehenes Organ zur Auftrennung der Strömung uit einer radialen Aufweitung bzw. Ausstülpung, die mit der Innenwand der Leitung in Berührung ist und sie in einen unteren und oberen Bereich unterteilt, in denen Einlaßöffnungen für die Flüssigkeit angeordnet sind* "nd mit einer axialen Verlängerung dieser Ausstülpung nach oben su durch eine rohrförmige Hülle, welche innen die Porm einer konvergierendendiTerglerenden Düse mit Einlaufprcfil und sehr allmähliche« Auslaß aufweist und auSen zusammen mit der Wand der Leitung einen ringförmigen Zwischenraum begrenzt, von dem zumindest ein Abschnitt durch e_.ae mit der Hülle fest Terbundene transversale Blende teilweise eingeschnürt ist.

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Gemäß einer bevorzugten Auaführungsart der Erfindung hat die rohrförraige Hülle eins zur leitung parallele zylindrische Verlängerung und die transversale Blende ist am Übergang zwischen Hülle und zylindrischer Verlängerung angeordnet.

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen kavitationshemmenden Vorrichtung werden im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung einea zur Erläuterung angegebenen nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels hervorgehen. Diese Beschrei- ^ bung bezieht sich auf die angefügte Zeichnung, in der schematisch ein axialer Schnitt durch das Ende eines Brennelementfußes gezeigt wird, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen 1st.

In dieser flg. wird der fuß 1 eines Brennelementes für einen insbesondere mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktor gezeigt, dessen Kern durch kontinuierliche Zirkulation eines flüssigen.Metalle, wie Natrium, gekühlt wird. Dieser fuß 1 hat die form einer zylindrischen Leitung mit vertikaler JLchs·, die durch eine Seltenwand 2 und einen Boden 3 gebildet wird, der die Seltenwand am unteren Ende abschließt. An oberen Ende ist der fuß 1 offen und mit der (nicht gezeigten) " eigentlichen Brennstoffanordnung verbunden, die insbesondere dünne Nadelelemente von geeignetem Kernmaterial aufweist. für die wirksame Kühlung des Brennelementes mit Natrium sind im fuß 1 eine Reihe von radialen öffnungen quer durch die Wand 2 vorgesehen und in der Zeichnung 3e nach dem, ob sie sich im oberen oder unteren Teil des fußes befinden, mit 4 oder 5 bezeichnet. Vorzugsweise sind diese Löcher bzw. öffnungen 4 und 5 in mehreren übereinander angeordneter. Horizontalreihen verteilt, von denen jede eine bestimmte Anzahl von Löchern aufweist, die bei der gezeigten Ausführun^sart bei-

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spieleweise gleich 6 ist.

Das unter Druck in den ?u3 eintretende Natrium erleidet nach Verlassen der Löcher eine scharfe Siobtuncs^nüeru ▼on praktisch 90°, wie durch die Pfeile 6 angedeutet wird und strömt dann im Fuß in Richtung der· eigentlichen Brennet off anordnung nach oben, vie durch den Pfeil 7 angedeutet wird.

Bei erhöhten Kühlmitteldurcheätzen ist nun im Bereich dee Flüseigkeitszulaufs in den PuS und insbesondere in Höhe der oberen öffnungen, wo praktisch zwei Strömungen unterschiedlicher Richtung aufeinandertreffen, mit Turbulenz: und erhöhter Kavitationsgefahr zu rechnen.

Zur Verhinderung dieser Srecheinungen wird gemäß der Erfindung innerhalb des Brennelementfußes ein Organ 8 aur Auftrennung der Strömung vorgesehen. Dieses Trennorgan umfaßt ein -verbreiterte» oder aufgestülptes Ende 9» das eine feste Verbindung alt der inneren Oberfläche der Wand 2 des Pußee ermöglicht, der dadurch in einen oberen und einen unteren Bereich unterteilt wird. Dieses Organ 8 umfaßt weiter eine sich aus der Ausstülpung erhebende rohrförmdge Hülle 1G und bildet innen einen Durchlaß für die !flüssigkeit in fcrm einer konvergierenden-divergierenden Düse mit den sehr progressiven Profilen 11 und 12. An ei ©tu der Ausstülpung 9 entgegengesetzten Bnde hat der konvergierende-divergierende Teil eine zur Wand koaxiale zylindrische Verlängerung 13» die zusammen mit der Hülle 10 einerseits und der Tend 2 andererseits eine", ringförmigen Zwischenraum 14 begrenzt, durch der. das von den öffnungen 5 im oberen "Bereich des Fu2es herkommende Natrium strömt, wobei diese Strömung vcllstt-'rcüg getrennt von dem

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durch die öffnungen 4 zutrstender Natriumetrom erfolgt. Das Organ 8 ermöglicht so die völlige Trennung dsr von den öffnungen unterschiedlicher ^wi?he harkon?isenden Strömungen und verhindert ao insbesondere ihr Aufeinandertreffen ^nter Ausbildung von !Purbulenzerscheinunsen. Jenseits der zylindrischen. Verlängerung 12 treffen die Tei.letr&'ur.inijer. mit glei- «%her Sichtung aufeinander und mischen sich, ohne Anla2 zu lavitationserecheinungen zu geben.

Schließlich ist das Trennorgan 8 außerdem, um die 3trö-Mungegeeohwindigkeiteii der von d«n verschiedenen öffnungen herkoaeendea flüesigkeitetrahlen praktisch einander anzupasstÄ, !■ ringföreigen Zwieehenraum 14 vorzugsweise mit einer transversalen Blende 15 aa übergang von divergierendem Teil Bur zylindrieehen Verlängerung 13 versehen. Diese Blende 15 ermöglicht 4i· Ausbildung einer eerklichen Verschlußwirkung in dem Zwiienenraua 14 und eine Erhöhung des Gewinne durch den Separator*selbst·

Selbetveretändlich let die Srfindung nicht auf das beschriebene and gezeigte nicht einschränkende Ausftihrungsbei-•piel beschränktf sie wafaSt vielmehr alle möglichen Varianten.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   Torrichtung zur Verhinderung· von Kavitetionsergcheiniingen in einer durch öffnungen in verschiedenen Zcnen in ihrer Seitenfläche mit strömender Flüssigkeit unter Druck beaufschlagten Leitung, insbesondere einem Brennelementfuß, gekennzeichnet durch ein länge der Achee der vertikal angeordneten leitung vorgesehenes Organ (S) zur Auftrennung der Strömung mit einer -radialen Aufweitung bzw. Ausstülpung (9), die mit der Innenwand der leitung in Berührung ist und sie in einen unteren und einen oberen Bereich unterteilt, in denen Einlaßöffnungen (4 und 5) für die Flüssigkeit angeordnet sind und mit einer axialen Verlängerung dieser Ausstülpung (9) nach oben zu duroh eine rohrförmig Hülle (10), welche innen die.fsna einer konvergierenden-divergierenden Düse mit sehr progressivem Sin- und Ausla^profil (11 und 12) aufweist und außen zusaraeen mit der Tfand (2) der Leitung einen ringförmigen Zwischenraum (13) begrenzt, von dem zumindest ein Abschnitt durch eine mit der Hülle (10) feet verbundene transversale Blends (15) teilweise eingeschnürt ist.
2. 2. Vorrichtung nech Anspruch 1, dedurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Hülle (10) eine zylindrische Verlängerung (13) mit zur leitung (1) paralleler Tand aufweist und da2 die transversale Blende (15) am tJTsergang¹ zwischen der Hülle (1C) und dieser zylindrischer Verlängerung (13) angeordnet ist

   t.

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