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.