Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7212

Oxidation and mass transfer in heavy liquid metal loops

H. Steiner, J. Konys

Abstract
A simple method has been devised to calculate the mass transfer in liquid metal loops. It is based on the use of mass transfer coefficients which determine the mass flux from the wall into the fluid. These coefficients depend on a dimensionless characteristic thermo-hydraulic number, namely the Sherwood number, which itself depends under forced convection flow conditions on the Reynolds number and the Schmidt number. This is supplemented by the application of the mass conservation law, which allows the calculation of the conditions in the bulk of the fluid. The newly developed kinetic model for mass transfer under forced convection flow conditions has been implemented in the computer code MATLIM.

The formation of protective oxide scales on stainless steel components is of prime importance for lead and lead-bismuth loops. As the propensity for mechanical effects like delamination and spalling increases with the thickness of the oxide scale, it is indispensable to have a clear understanding of the physical effects contributing to their growth. Thus, the importance of dissolution effects on oxide scales must be investigated and quantified, especially the dependence on the oxygen content in the liquid metal. This determines also the mass transfer from the hot leg to the cold leg in these loops. At higher temperatures dissolution attack of stainless steel specimens has been observed in some cases for oxygen contents in lead-bismuth alloy normally sufficient for oxide scale formation.

Dissolution effects on pre-existing oxide or other protective scales are also of great importance for lead-lithium loops. These loops are operated at very low oxygen contents in order to avoid the formation of Li₂O. With the loss of protective scales heavy dissolution attack of stainless steel components commences.

Oxidation und Massetransport in Schwermetall-Kreisläufen

Zusammenfassung
Um den Massetransport in Schwermetall-Kreisläufen zu berechnen, wurde ein einfaches Verfahren entwickelt. Es beruht auf der Benutzung von experimentellen Korrelationen für den Masseübertragungs-Koeffizienten. Diese sind bestimmt durch die charakteristische, dimensionslose thermohydraulische Kennzahl, die so genannte Sherwood Zahl, die ihrerseits bei Zwangsumlauf von zwei weiteren dimensionslosen Kennzahlen abhängt, nämlich der Reynolds Zahl und der Schmidt Zahl. Dies wird ergänzt durch die Anwendung einer Integralgleichung für die Masseerhaltung. Dieses neu entwickelte kinetische Modell wurde in den Computercode MATLIM eingebaut.

Die Bildung von schützenden Oxidschichten auf Bauteilen aus Edelstahl ist für Blei-Wismut Kreisläufe von eminenter Bedeutung. Da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von mechanischen Effekten wie Ablösen und/oder Abplatzen der Oxidschicht aller Voraussicht nach mit deren Dicke zunimmt, ist ein klares Verständnis der beitragenden physikalischen Effekte unbedingt erforderlich. In diesem Zusammenhang müssen Ablösevorgänge untersucht und möglichst quantitativ beschrieben werden, besonders als Funktion des Sauerstoffgehalts im Flüssigmetall. Dies bestimmt dann auch den Massetransport vom heißen in den kalten Teil des Kreislaufs. Bei höheren Temperaturen wurde auch direkter Lösungsangriff von metallischen Werkstoffen beobachtet, und zwar bei Sauerstoffkonzentrationen im Blei-Wismut, die normalerweise für die Bildung von Oxidschichten ausreichend waren.

Ablöseeffekte an voroxidierten oder anderweitig beschichteten Stahlbauteilen sind auch für Blei-Lithium Kreisläufen von großer Bedeutung. Diese Kreisläufe werden in der Regel bei niedrigem Sauerstoffgehalt betrieben, um die Bildung von Li₂O zu vermeiden. Nach dem Verlust der schützenden Passivierungsschicht ist in diesen Kreisläufen mit starkem Lösungsangriff zu rechnen.

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