Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7111

Qualifizierung von Messtechniken zur Erfassung von Strömungsgrößen in flüssigen Schwermetallen

C.-H. Lefhalm

Zusammenfassung
Für die Transmutation radioaktiver Abfälle werden Beschleuniger getriebene Anlagen (engl. Accelerator Driven Systems, ADS) in europäischen Forschungsprojekten untersucht. Ein Konzept sieht dabei die Kühlung einer solchen Anlage mit den flüssigen Schwermetallen Blei oder Blei-Wismut vor. Sowohl für die thermohydraulische Auslegung, als auch für den zukünftigen Betrieb werden Messtechniken zur Erfassung von Strömungsgrößen in diesen flüssigen Schwermetallen benötigt. Aufgrund der eingeschränkten Übertragbarkeit der Erfahrungen aus der Natrium- Technologie auf die genannten Schwermetalle, ist im Karlsruhe Lead Laboratory (KALLA) des Forschungszentrums Karlsruhe eine systematische Untersuchung unterschiedlicher physikalischer Verfahren zur Messung des Volumenstroms und des lokalen Geschwindigkeitsfeldes in einer hydraulisch eingelaufenen, turbulenten Blei-Wismut Rohrströmung durchgeführt worden. Im Einzelnen wurden volumetrische, magnetisch induktive und Ultraschall-Laufzeit-Verfahren zur Volumenstrommessung, sowie ein Pitot-Differenzdruckverfahren und die Ultraschall Doppler Velocimetrie (UDV) zur lokalen Geschwindigkeitsmessung untersucht.

Während bei der Applikation der Volumenstrommesstechniken vornehmlich technologische Problemstellungen gelöst wurden, konnten bei der Messung lokaler Geschwindigkeitsfelder erhebliche Fortschritte im Hinblick auf die erreichbare Orts- und Zeitauflösung im Vergleich zu bisher verfügbaren Flüssigmetallmesstechniken erreicht werden. Insbesondere bei der Anwendung der Ultraschall Doppler Velocimetrie sind Messungen bis hinein in die viskose Unterschicht der turbulenten Grenzschicht ebenso möglich, wie die Ermittlung statistischer Informationen über die turbulenten Eigenschaften der Strömung. Zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Verfügbarkeit qualifizierter Messtechniken für die Erfassung von Volumenstrom und lokalen Geschwindigkeiten in mit schweren Flüssigmetallen betriebenen Kreisläufen.

Qualification measurement techniques for flow quantities in heavy liquid metals

Abstract
For the transmutation of radioactive waste Accelerator Driven Systems (ADS) are under investigation in European research projects. One of the explored concepts utilizes the heavy liquid metals (HLM) lead or lead-bismuth as coolant for such a system. The thermohydraulic design as well as the future operation demands measurement techniques to acquire relevant flow quantities within HLM flows. Because of the differences of HLM compared to sodium regarding the physical and chemical properties, the knowledge from the previously developed technology can not generally be transferred. Thus, a systematic investigation of different physical principles for the measurement of flow rate and local velocity fields were performed in the Karlsruhe Lead Laboratory (KALLA) of the Forschungszentrum Karlsruhe. Volumetric, magnetic inductive and ultrasound transit time methods for the flow rate measurement, a differential pressure pitot probe and the Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV) for local velocity measurements were investigated in a fully developed turbulent lead-bismuth pipe flow.

During the application of the flow rate measurement techniques in liquid leadbismuth primarily technological problems were solved, whereas for the measurement of the local velocity field a considerable progress was achieved especially related to the attainable resolution in position and time compared to available liquid metal measurement techniques. Particularly, the Ultrasound Doppler Velocimetry allowed to measure velocities in the viscous sublayer of the turbulent boundary layer as well as the determination of statistical quantities of the turbulent there. The main result of this report is the availability of qualified measurement techniques for heavy liquid metal operated loop systems.

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