Wissenschaftliche Berichte – FZKA 6610

Kinetik des Sauerstoffkontrollsystems (OCS) für stagnierende Blei-Wismut Systeme

Kurzfassung

Im Rahmen des HGF Strategiefondprojekts 99/16 „Thermohydraulische und materialspezifische Untersuchungen zur Realisierung einer Beschleuniger getriebenen Anordnung (ADS)“ werden am Institut für Kern- und Energietechnik (IKET) Untersuchungen zur Kühlung von thermisch hoch belasteten Oberflächen mit flüssigem Blei-Wismut (Pb-Bi) durchgeführt. Zum sicheren Betrieb eines Pb-Bi Kreislaufs, z.B. zur Kühlung des Spallationstargets oder des Blankets eines Beschleuniger getriebenen Systems (Accelerator Driven System, ADS), ist die Kontrolle der Sauerstoffkonzentration im Flüssigmetall eine unabdingbare Voraussetzung, um eine Korrosion am Strukturmaterial zu verhindern oder zu minimieren.

In diesem Bericht wird das Zeitverhalten des im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten Sauerstoffkontrollsystems (Oxygen Control System, OCS) untersucht, welches das chemische Potenzial von Sauerstoff im Flüssigmetall durch die Regelung des chemischen Potenzials von Sauerstoff in der über das Flüssigmetall strömenden Gasphase kontrolliert. In dieser Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen an der Anlage KOCOS (Kinetics of Oxygen COntrol System) im Karlsruher Flüssigmetalllabor KALLA (KArlsruhe Lead LAboratory) durchgeführt. Es wird ein physikalisches Diffusionsmodell zur Interpretation des Austauschvorgangs von Sauerstoff zwischen Gas und Flüssigmetall herangezogen und weiterentwickelt. Die Theorie stimmt mit den experimentellen Beobachtungen sehr gut überein.

Es zeigt sich, dass das OCS eine reversible Regelung der Sauerstoffkonzentration im Flüssigmetall ermöglicht. Die Geschwindigkeit des beobachteten Prozesses lässt auf die Kontrollierbarkeit großer Volumina, wie sie für den Betrieb eines ADS Demonstrators benötigt werden, schließen. Dazu werden weiterführende Experimente in Kreislaufsystemen vorgeschlagen.

Kinetic of the Oxygen Control System (OCS) for stagnant lead-bismuth systems

Abstract

Within the framework of the HGF strategy fund project 99/16 “ Thermalhydraulic and Material Specific Investigations into the Realization of an Accelerator Driven System (ADS) to Transmute Minor Actinides” at the Institute for Nuclear and Energy Technology (IKET) investigations on the cooling of thermally high-loaded surfaces with liquid lead bismuth (Pb-Bi) are carried out. To operate a Pb-Bi loop safely, for example in order to cool a spallation target or a blanket of an Accelerator Driven System (ADS), the control of the oxygen concentration within the liquid metal is an inalienable prerequisite to prevent or minimize corrosion at the structure material.

In this report the kinetic behaviour of the Oxygen Control System (OCS), which was developed at Forschungszentrum Karlsruhe, is examined. The OCS controls the chemical potential of oxygen in the liquid metal by regulating the oxygen content in the gas phase which flows over the free surface of the liquid metal. In this work the experimental facility KOCOS (Kinetics of Oxygen Control System) in the Karlsruhe Lead Laboratory (KALLA) was built. A physical diffusion model was utilised and extended to describe the exchange of oxygen between the gas and the liquid metal.

The theoretical calculations are in very good agreement to the experimental findings. The OCS allows to control reversibly the oxygen concentration in the liquid metal. According to the observed kinetics of the process one can extrapolate that the control of large volumes, as they are necessary to operate an ADS demonstrator, is possible. Therefore, further experiments in liquid metal loop systems are suggested.