DE2359957A1

DE2359957A1 - Verfahren zum abscheiden von in einem inertgasstrom mitgefuehrten metallteilchen und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2359957A1
Application number: DE2359957A
Authority: DE
Inventors: Jerold Guon
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1972-12-01
Filing date: 1973-12-01
Publication date: 1974-06-12
Also published as: JPS4995813A; US3950152A; CA1010378A; JPS5636961B2

Description

72A42 (ClP) .

1A-577 30. November 1973

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, California, V.St.A.

Verfahren zum Abscheiden von in einem Inertgasstrom mitgeführten Metallteilchen und Torrichtung zur Durchführung .

dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von in einem Inertgasstrom mitgeführten Metallteilchen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Abtrennfallen für flüssiges Metall sind bekannt,. Sie werden z. B. dazu verwendet, Natriumdampf oder fein verteilte Natriumteilchen aus einem Inertgasstrom abzuscheiden. Abtrennfallen für flüssiges Metall werden insbesondere in Kernreaktoren benötigt, welche mit flüssigem Metall gekühlt werden, z. B. in mit Natrium gekühlten schnellen Brütern. Der nachstehend gebrauchte Ausdruck "Natriumdampf" umfaßt auch fein verteilte Natriumteilchen in form eines Nebels oder in Form einer Aerosoldispersion.

Bei einem mit flüssigem Natrium als Kühlmittel arbeitenden Kernreaktor zirkuliert ein inertes Schutzgas, wie Argon, durch den Vorratsbehälter für flüssiges Natrium und führt zu einer Verdampfung¹ von Natrium. Daher ist es erforderlich, das mitgeführte flüssige Metall wieder aus dem Inertgasstrom auszuscheiden, so daß das Flüssigmetall nicht zusammen mit dem Inertgas im Kreislauf geführt wird. Andererseits führt ein Abkühlen des Gases zur Abscheidung des Natriums in den verschiedensten Reaktorbauteilen, wie z. B. in Gasrohren,

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wodurch diese rasch verstopft werden. Der Zweck der Natriumdampffalle besteht somit darin, mitgeführtes Natrium aus dem Inertgas möglichst vollständig auszuscheiden, so daß die Anlage während einer langen Zeit ständig betrieben werden kann, ohne daß der "Betrieb häufig unterbrochen werden muß. ·

Es sind bereits eine Reihe von Dampffallen bekannt, welche sich zur Abscheidung von Natriumteilchen sowie von Teilchen anderer Metalle aus dem Gasstrom eignen. Diese herkömmlichen Vorrichtungen beruhen in erster Linie auf der Adhäsion der auszuscheidenden Teilchen an einer Strömungsbarriere oder einem Substrat.

Es ist z. B. eine Dampf falle in Form eines Filters aus Drahtgewebe bekannt, welche spiralig aufgewunden ist und welche sich innerhalb einer Dampfleitung befindet. Die einzelnen Schichten des Gitters wirken als Hindernis für den Durchgang von im Inertgas mitgeführtem Natrium. Eine solche Dampffalle ist jedoch nicht sehr wirksam, da nicht sämtliches im Inertgas mitgeführtes Metall abgeschieden wird. Darüber hinaus wird ein derartiges Filter aus Drahtgewebe leicht durch das Natrium verstopft.

Ein anderer Typ der Natriumdampf falle umfaßt eine Reihe von Leitblechen in einem Behälter, wobei sich in jedem Leitblech Öffnungen befinden. Die einzelnen Leitbleche sind parallel zueinander und im Abstand voneinander übereinander gestapelt. Die Öffnungen in den Leitblechen stehen nicht in Fluchtung miteinander, so daß die Natriumteilchen einem gewundenen Pfad durch die Öffnungen der übereinander gestapelten Leitbleche folgen. Das im Gasstrom mitgeführte Natrium haftet an der Oberfläche der Leitbleche an. Eine solche Dampffalle ist jedoch äußerst unwirksam, da nur ein Teil des Natriums abgeschieden wird. Zusätzlich kommt es sehr leicht zu Verstopfungen.

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Ein weiterer Typ der Dampffalle umfaßt eine bestimmte Länge eines spulenförmig aufgewundenen Rohrs. Der Natriumdampf wird in das Innere des Rohrs über eine Dampfleitung geleitet. Das Natrium neigt zum Anhaften an der Wandung des spulenförmig aufgewundenen Rohrs, wenn der Dampf dem gewundenen Pfad innerhalb des Rohres folgt. Auch diese Dampffalle wird leicht verstopft und führt nicht zur Abscheidung des gesamten Natriums.

Ein weiterer Typ der Dampffalle besteht aus einem Behälter, welcher mit einer Vielzahl von Raschig-Ringen gefüllt ist. Eine solche lalle wird im allgemeinen als Kondensations-Dampf falle bezeichnet. Die Raschig-Ringe stellen ein Hindernis für die Gasströmung und das mitgeführte Natrium dar und das Natrium scheidet sich sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite der Raschig-Ringe ab. Durch eine derartige Natriumfalle wird jedoch nicht das gesamte Natrium aus der Gasströmung abgeschieden. Ferner kann es bei unsachgemäßem Betrieb je nach Temperaturverteilung zu einer Tfeistopfung kommen. Die vier beschriebenen lallen arbeiten in der "Tiefe", da die Gasströmung und die mitgeführten Teilchen das liltermaterial Schicht und Schicht durchströmen, \-/obei das Natrium in der Tiefe der liltermaterialschichten abgeschieden wird.

Ein wesentlich verbessertes Verfahren zur Entfernung von Natriumteilchen besteht in einem "Oberflächenverfahren". Hierbei werden gesinterte poröse hohle liltrierkörper in lorm von Zylindern, Scheiben oder dgl. verwendet, welche aufeinander gestapelt sind. Hierbei wird der Natriumdampf oder das in lorm von Teilchen fein verteilte Natrium in der Hauptsache an der Oberfläche der Scheiben abgeschieden, während die Gase durch die porösen gesinterten Scheiben hindurch in das Innere derselben treten. Hierbei wird im wesentlichen das gesamte Natrium aus dem Gasstrom entfernt. An der Oberfläche der Scheiben bildet sich eine Schicht von abgeschiedenen festen Natriumteilchen in lorm eines Kuchens. Mit zunehmender Dicke dieses Natriumkuchens kommt es zum Zerbrechen desselben und · zum Zusammenbacken mit den gesinterten Scheiben, so daß nach

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einer gewissen Zeit ein großer Teil wenn nicht alle der Porendurchgänge in den Scheiben verstopft oder blockiert sind und somit ein Gasdurchtritt verhindert wird.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochwirksames Verfahren zum Abscheiden von in einem Inertgasstrom mitgeführten Metallteilchen zu schaffen, mit dem die Abscheidung des gesamten mitgeführten Metalls gelingt, ohne daß es zu einer Verstopfung der Anlage kommt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Abscheidung von in einem Inertgasstrom mitgeführten Metallteilchen gelöst, bei dem man das die mitgeführten Metallteilchen enthaltende Inertgas durch ein als Metallfalle wirkendes poröses Filter strömen läßt und die an der Filteraußenseite abgeschiedenen Metallteilchen entfernt und bei dem man das Filter während einer vorbestimmten Zeit auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls hält, so daß die Metallteilchen sich in flüssiger Form am Filter abscheiden.

Der Inertgasstrom, invelchem die flüssigen Metallteilchen, z. B. Natriumteilchen, mitgeführt werden, geht durch die porösen Metallfilter hindurch. Diese Metallfilter bestehen aus hohlen aufeinander gestapelten Filterkörpern in Form von Scheiben, Zylindern oder dgl. Innerhalb der Filterkörper findet keine oder nur wenig Kondensation statt und das gesamte Metall wird an der Außenseite abgeschieden. Nach einer anfänglichen Einlaufzeit kann stromab vom Filter kein nebeiförmiges oder fein dispergiertes Natrium mehr beobachtet werden. Wenn man die Anlage bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Natriums betreibt, so werden die Filterkörper jedoch rasch durch das an der Oberfläche abgeschiedene Natrium verstopft.

Es wurde nun gefunden, daß man dieses Problem beseitigen kann, wenn man um die Dampffalle herum eine Heizquelle und insbe-

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sondere einen elektrischen Heizmantel vorsieht und die Temperatur innerhalb des Dampffallengehäuses, in dem sich die aufeinander gestapelten Filterscheiben befinden, zwischen etwa 110 ⁰O und 120 ⁰C halt, Hierdurch wird die Natriumabscheidungskapaaität überraschend,stark erhöht. Wenn man die Fiiterscheiben auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes .des Natriums (98 ⁰C) hält, so bilden die im Inertgas strom mitgeführten Natriumteilehen beim Auftreffen auf die warme Oberfläche des? gesinterten Scheiben feine flüssige Kügelchen, - und zwar aufgrund der Oberflächenspannung* Diese Kügelöhen fallen von den Scheiben ab und sammeln sich am Boden der Dampffalle an* Die Tendenz zum Herabfallen der Kügelchen kann dadurch erhöht werden, daß man Filterscheiben mit geneigten Flächen verwendet» Durch eine Verbindung des Auslasses der Dampffalle mit dem Natriumvorratsbehäiter kann das abgeschiedene Natrium wieder zurückgeführt werden»

Es ist eintesönderes Merkmal der Erfindung, daß die einzelnen Filterscheiben, welche vorzugsweise aus Edelstahl bestehen, mit einer dünnen Schicht eines inerten natrophoben Materials beschichtet sind* Unter einem natrophoben Material versteht man ein Material, wtlches gegenüber Natrium beständig ist und welches durch H&triusi nicht benetzt wird. Hierdurch wird die Bildung von imtriuakUgtlehen auf der filttroberfläche und die Vergrößerung derS'elben 'zu Tropfen stark gefördert» Die so gebMe'ten Natriuffifcropfeh fallen' lei'chter aufgrund der Schwerkraft vom filter ab und sammeln sich am Boden der Falle an-.

Wenn das Filter bei einer Temperatür oberhalb des Schmelzpunktes des Natriums betrieben wird, so kann, das Filter trotz der an der Oberfläche des gesinterten Metallfilters abgeschiedenen Natriumkügelchen atmen, d» h» einige der Porendurchgänge des Filters bleiben fur den Ihertgasdurchtritt offen» Somit wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine- vollständige Reinigung des Ine'rtgases erreicht und zu-. sätzlich wird jegliche Verstopfung der Anlage verhindert.

Das Natrium setzt sich, nicht in einer diken Schicht an der Oberfläche der Filter scheiben ab, wie dies bei kalten Filterfallen der Fall ist.

Es ist wichtig, daß im Falle einer Beschichtung mit einem nicht durch Natrium "benetzbaren Mittel die aufgebrachte Schicht äußerst dünn ist. Die Beschichtung muß nicht notwendigerweise einheitlich oder zusammenhängend sein. Bei Vorhandensein einer solchen dünnen Schicht tritt am Filter kein übermäßiger Druckabfall für die Gasströmung auf, so daß das Filter beständig "atmen" kann. Die Filmdicke sollte im allgemeinen nicht größer als etwa 100 Mikron sein. Die unterste Begrenzung für die Filmdicke beträgt etwa 100 Angström.

Normalerweise benötigt man nicht mehr als 0,2 mg des Beahieh— tungsmaterials zur Beschichtung einer Oberfläche von etwa 65 cm (scheinbare Oberfläche). Da eine Verunreinigung des Gasstroms verhindert werden muß und eine lange Lebensdauer erwünscht ist, muß das natrophobe Material gegen einen Natriumangriff inert sein und es muß insbesondere einen niedrigen Dampfdruck haben, im allgemeinen unterhalb 1 Mikron Quecksil-.ber und vorzugsweise etwa 0,1 Mikron Hg bei der Betriebstemperatur des Filters. Das Beschichtungsmaterial muß bei hoher Temperatur fest auf der Filterobafläche haften, es muß leicht zugänglich sein und es muß leicht aufbringbar sein. Im allgemeinen sind Beschichtungsmaterialien mit einem Gehalt an Halogenen oder an Blei- oder Aluminiumsalzen nicht geeignet. Bevorzugte natrophobe Beschichtungsmaterialien sind feste langkettige Paraffinkohlenwasserstoffe» wie Tetracosan (G₂.Hc₀), sowie Alkohole, Äther, Säuren und Ester derselben mit einem hohen Molekulargewicht. Die niedrigstmögliche Kohlenstoffzahl dieser Verbindungen ist durch die oben angegebene unterste Dampfdruckgrenze beschränkt. Vorzugsweise umfassen diese Verbindungen mindestens 18 und insbesondere mindestens 20 Kohlenstoff atome. Die Anzahl der Kohlenstoff atome kann andererseits vorzugsweise bis zu 70 und insbesondere bis

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zu 50 hinaufreichen. Die genannten 'Verbindungen können gesättigt oder ungesättigt sein und sie können Verzweigungen und.aromatische Ringe aufweisen.

lerner eignen sich alle langkettigen Tenside, welche den obigen Dampfdruekbedingungen genügen und durch Natrium nicht angegriffen werden. Ferner eignen sich insbesondere auch Polymere und speziell Harze und Wachse, z. B. Silicone, Polyolefine, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten, Coolefine, Polyvinylester, Polyvinyläther, Polystyrol, Polyamide, Polyester, Polyäther, Polyurethane oder dgl. Dabei sind insbesondere Polymere mit niedrigerem Molekulargewicht bevorzugt, so daß sie sich in heißen oder kalten "organischen Lösungsmitteln Jlösen lassen. Insbesondere bevorzugt sind verschiedene nicht-toxische wasserlösliche Siliconkonzentrate, welche normalerweise für die Beschichtung von Glas,.Keramik oder Metall verwendet werden und einen mikroskopisch dünnen, extrem harten und glatten natriumabstoßenden Film ergeben. Ein derartiges Siliconmaterial ist unter der Bezeichnung "Siliclad" im Handel. Allgemein können die natrophoben Mittel aus Lösung oder aus Emulsion aufgebracht werden. Als Lösungsmittel eignen sich organische Lösungsmittel, wie Kohlenwasserstoff, Halogenkohlenwasserstoff, Äther, Ester oder dgl. Ferner kann die Beschichtung mit einem paraffinhaltigen Motoröl vorgenommen werden, wobei sich ebenfalls der gewünschte Film abscheidet. .

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei bestimmten Anwendungen das Filter abwechselnd auf eine niedrige und auf eine höhere Temperatur zu erhitzen. Bei Verwendung eines kalten Filters wird das Natrium rasch entfernt, es tritt jedoch eine Verstopfung der Filterhohlräume ebenfalls rasch ein. Wenn danach das Filter jedoch erhitzt wird (Betrieb bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls) so wird das Filter regeneriert und vom abgeschiedenen Metall befreit, so daß die Filteröffnungen wieder ausgeräumt werden. Dabei schmilzt das abgeschiedene Metall zu

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Kügelchen, welche rasch nach unten abfließen. Der Betrieb des Filters in der Wärme ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Die Erhitzung des Filters kann durchgehend erfolgen oder mit Unterbrechungen.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine Reihe von bedeutenden Vorteilen gegenüber den bisher vorgeschlagenen Verfahren beobachtet. Einmal wird bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens das gesamte im Inertgas mitgeführte Natrium abgeschieden, während das gereinigte Gas relativ ungehemmt durch die Dampffalle strömt. Ferner ist die Abseheidungsleistung wesentlich höher als bei herkömmlichen Verfahren. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht in der langen Betriebszeit, während welcher das Filter nicht verstopft wird, was insbesondere für die beschichteten Filter gilt. Dies bedeutet, daß das PiItersyjstem nicht so oft ausgetauscht werden muß. Darüber hinaus kann die mit einem beheizten gesinterten Filter arbeitende Dampffalle im Vergleich zu einer kalten Dampffalle kleiner sein, so daß die Filterfläche bei der gleichen AbScheidungsmenge geringer ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: *

Fig. 1 einen Schnitt durch eine mit flüssigem Natrium betriebene Anlagen, mit einer Natriumdampffalle und einem Vorratsbehälter für flüssiges Natrium;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer Wandung eines gesinterten Filters im kalten Betrieb, gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich derjenigen gemäß Fig. 2 mit blockierten Filterdurchgängen;

Fig. 4 einen Schnitt ähnlich demjenigen gemäß Fig. 2, jedoch in heißem Betrieb und

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Fig. 5 die Punktion des Strömungskoeffizienten (Druckabfall) über den FiIterquerschnitt in Abhängigkeit von der. Menge an Natrium auf der Filterwandung für ein beschichtetes und ein unbeschichtetes Filter.

Ganz allgemein ist das erfindungsgemäße Verfahren auf die Entfernung von eingeschlossenen Dampfteilchen oder Äerpsolteilchen aus flüssigem Metall aus einem Gasstrom gerichtet. Die nachfolgende Beschreibung befaßt sich jedoch speziell mit der Entfernung von Natriumdampf aus einem Inertgas für mit Natrium gekühlte schnelle Brutreaktorsysteme.

Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Natriumdampffalle, mit einem Gehäuse 12, welches z. B. eine Reihe von aufeinander gestapelten gesinterten porösen hohlen Metallscheiben umfaßt, welche typischerweise aus Edelstahlpulver durch Sinterung nach Standardtechniken der Pulvermetallurgie hergestellt worden sind. Diese hohlen Filterscheiben können unbeschichtet se.in oder sie können vorzugsweise eine dünne Beschichtung mit einem natrophoben Material aufweisen, wie weiter unten beschrieben wird. Diese Scheiben 14 stehen mit einem Innenro.hr 18 in Verbindung, welches am oberen Ende 11 des Gehäuses 12 befestigt ist. Das Ende 20 des Rohrs 18 erstreckt sich durch , den oberen "Teil des Gehäuses. 12. Jede der gesinterten Scheiben 14 umschließt eine Hohlkammer 17, welche mit dem Innenrohr 18 in Verbindung steht. Die Oberfläche 15 der gesinterten Scheiben 14 ist porös und umfaßt eine Vielzahl von ungeordnet verteilten feinen Durchgängen 16. Die feinen Durchgänge 16 erlauben eine-n Gasdurchtritt vom Innenraum 19. des Gehäuses 12 in den Innenraum 17 der Scheiben 14.

Die porösen Edelstahlfilterscheiben haben eine Porengröße von etwa 5 - 165 Mikron. Für ein heißes Filtrieren eignet sich eine Porengröße von etwa 35 bis 65 Mikron besonders. Wenn das Filter zum Teil kalt betrieben wird, so ist eine Porengröße von bis zu etwa 200 Mikron besonders bevorzugt. In der Praxis trägt die Oberfläche 15 der gesinterten Scheiben

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14 vorzugsweise eine dünne Schicht aus einem na.troph.oben Material (nicht gezeigt).

Ein elektrisch beheizter Heizmantel 22 mit streifenförmigen Widerstandsheizelementen umgibt das Gehäuse 12 vollständig. Elektrische Zuleitungen 24 dienen der Verbindung mit einer Elektrizitätsquelle. Andere Arten von Heizvorrichtungen, wie z. B. flexibles Heizkabel, können, zur Aufheizung der Natriumfalle 10 ebenfalls dienen.

Die Natriumdampffalle 10 steht mit' einem allgemein mit 30 bezeichneten Vorratsbehälter für das flüssige Natrium in Verbindung, z. B. mit dem Kerngefäß eines mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Brüters. Die Dampffalle 10 steht über eine Gasleitung 40 mit dem Behälter 30 in Verbindung. In dem Behälter 30 befindet sich ein Bad von geschmolzenem flüssigen Natrium 32. Ein Gaseinleitungsrohr 34 führt in den Natriumbehälter 30 und dient zum Einleiten von Inertgas wie Argon in das Innere des Behälters 30. Bei einem schnellen Brüter verhindert das Inertgas eine Oxidation des Natriumkühlmittels. Aufgrund von Oberflächenbewegung, Verdampfung und aufgrund von Nebelbildung durch einen Temperaturgradienten gelangen Natriumteilchen 33 in das Inertgas 38. Die Natriumteilchen befinden sich in flüssigem Dampfzustand, während sie im Innern des Gehäuses 30 sind. Das ausströmende Inertgas strömt zusammen mit den mitgerissenen Natriumteilchen 33 durch das Inertgasrohr 40 in den Innenraum 19 des Gehäuses 12 der Natriumdampf falle 10. Die Natriumteilchen 33 werden in Richtung auf die Oberflächen 15 der gesinterten Scheiben 14 gerichtet. Die Temperatur innerhalb des Gehäuses 12 befindet sich auf einem Wert oberhalb des Schmelzpunktes des Natriums. Andererseits ist die Temperatur genügend niedrig, so daß im wesentlichen das gesamte Natrium im flüssigen Zustand vorliegt. Typischerweise haben die Natriumteilchen einen Durchmesser von weniger als 5 Mikron. Diese NatriumteELchen haften an der Oberfläche der Scheiben 14 an, während das vom Natriumdampf befreite Inertgas durch die Pilter-

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poren 16 in das Innere 17 der Filterscheiben 14 strömt und durch einen Auslaß 40 des Innenrohrs 18 in ein Uralaufsystem oder, in ein nicht dargestelltes Abgassystem.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch die Wandung einer kalten Filterscheibe 14. .In diesem Pail liegen die Natriumteilchen 53 an der Wandung im festen Zustand vor und sie sammeln sich mehr und mehr zu einer festen Masse auf der Oberfläche _: 15 der Scheibe 14 an. Zunächst sind die Natriumteilchen lose auf der Oberfläche 15 der Scheibe 14 verteilt. In diesem Fall kann das Inertgas 38 immer noch durch die Filterporen 16 der Scheibe 14 dringen. Im fortgeschrittenen Zustand gemäß Fig. 3 bilden jedoch die abgeschiedenen Natriumteilchen 55 einen Kuchen 35, welcher schließlich aufgrund mechanischer Kräfte und insbesondere aufgrund des Druckabfalls über den Querschnitt des Kuchens 35 zusammenfällt. Dieser zusammenge^- fallene Kuchen stellt einen sehr hohen Strömungswiderstand für die Inertgasströmung 58 dar.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäß geheizte, gesinterte Filterscheibe 14, welche vorzugsweise mit einem natrophoben Material beschichtet ist. Die Heizung erfolgt durch den Heizmantel 22 rund um das Gehäuse 12 der Dampffalle 10 (Fig. 1). Die porösen gesinterten Scheiben 14 werden auf eine Temperatur von etwa ITO ⁰O bis etwa 120 ⁰C erhitzt. Diese Temperatur liegt oberhalb des Schmelzpunktes des Natriums. Demzufolge behalten die Natriumteilchen 55 ihren flüssigen Zustand bei und bilden Tröpfchen 35 von geschmolzenem Natrium an der Oberfläche 15 der porösen Scheiben 14. Die Oberflächenspannung bewirkt offenbar,, daß das geschmolzene Natrium in sphärischen Kügelchen 55 auf der Oberfläche 15 vorliegt. Diese Tröpfchen sammeln sich- zwar auf der Oberfläche 15 an, sie bedecken jedoch nicht die gesamte Oberfläche einschließlich aller Gasdurchgänge. Zwischen den verschiedenen Tröpfchen ist genügend Platz für den Gasdurchtritt. Somit wird einerseits, das Gas vollständig von Natrium befreit und andererseits wird das Filter nicht verstopft.

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Während eines längeren Betriebs haften die Natriumteilchen an der Oberfläche 15 der warmen porösen Scheibe 14 an, wie anhand von Fig. 4 beschrieben, und bilden sphärische Kugel— chen 35. Die Größe dieser Kügelchen 35 nimmt allmählich zu, bis die Kügelchen schließlich aufgrund der Schwerkraft sich von der Wandung 15 lösen und auf den Boden 13 des Gehäuses 12 gemäß Pig. 1 fallen. Das hier angesammelte flüssige Natrium 32 kann über eine Natriumrückführleitung 42 in den Behälter 30 für das geschmolzene Natrium zurückgeführt v/erden. Man erkennt, daß die er findungs gemäße Dampf falle mit den beheizten aufgestapelten Filterelementen 14 nahezu beliebig lange ohne Unterbrechung betrieben werden kann, da sich kein Filterkuchen bildet und die Filteröffnungen verschließt, was andererseits nach einiger Zeit bei einem kalt betriebenen Natriumabscheider der Fall ist.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung des Strömungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Beladung mit Natrium für ein beschichtetes Filter und für ein unbeschichtetes Filter. Der Ausdruck "Natriumbeladung" bezeichnet die Oberflächenkonzentration des Alkalimetalls auf dem Filter (g/m ). Der Strömungskoeffizient (Bar-sec/m) ist ein direktes Maß für den Druckabfall am Filter.

Die beschichteten und unbeschichteten Filter wurden beide im warmen Zustand betrieben, d. h. bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Natriums, genauer gesagt bei 115 - 5 ⁰C. Das nicht beschichtete Filter wurde vor Gebrauch sorgfältig entfettet. Eine geringe. Beladung von etwa 1,5 g/1000 cm erfolgt rasch. Zu diesem Zeitpunkt wächst der Druckanfall stark an. Zum Vergleich wächst bei einem Filter, welches mit einer dünnen mikroskopischen Beschichtung von Tetracosan versehen ist, der Strömungskoeffizient nur gering mit steigender Beladung des Filters mit Natrium an und hohe Natriumbeladungen von mehr als 25 g/1000 cm sind leicht möglich.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert,

Beispiel 1 Vergleich von kaltem Betrieb mit warmem Betrieb

Verschiedene Versuchsreihen wurden unter Verwendung der gleichen Anlage mit gesinterten Edelstahlfiltern durchgeführt. Typische Filter umfassen 12 "bis 36 Einzelelemente mit !"lachen von 1200 his 36QO cm , Die kaltbetriebenen Filter werden bei Zimmertemperatur im Bereich von 25 ⁹O biß etwa 95 ⁰O betrieben. Es wurde gefunden, -daS der kalte Filter^- stapel mit vinbesohichteter Filterwandung nur etwa 0,3 g Na--

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trium pro 1OQQ cm Filter-qherfläöhe zu entfernen vermag, bevor ein übermäßiger Druckabfall (etwa Q,05. Bar) eintritt. Wenn die Oberfläche des kaltbetriebenen Filters mit einer dünnen, mikroskopisch feinen Beschichtung eines natrophaben Materials versehen wird, wie. z. B, mit Tetraeosan oder Silicon oder Motorolj so beobaßhtet man eine, nur geringe Zunahme der Belastbarkeit im Falle eines. I&ltbetriebs und a.uch dann steigt der Druckabfall wieder rasch an.

Andererseits werden rn.it einer identischen Anlage, Versuche durchgeführt κ wobei nicht beschi₀jx^g^_e filter verwendet wer^ den, Vielehe zunächst entfettet wurden, 2um Entfetten wird "Aceton oder kaustisches Soda verwendet. Diese filter werden bei einer Temp era tu*" γοη etwa 115 ⁰Q betrieben. Eine Absehe!^

dung von etwa 1,5 g/1000 cm⁴ ist möglich, bevor der Druckabfall zu groß wird. Wenn diese gesinterten metallischen Filtersoheiben in ähnlicher Weise viie die kalt betriebenen Filterseheiben beschichtet werden und wenn man dann zusatzlieh bei einer Temperatur von etwa 115 C arbeitet, so erhöht sich die Natriumbelastbarkeit auf mehr als 45 g/1000 cm bevor der Druckabfall zu groß wird. Somit eignet sich die erfindungsgemäße, warm betriebene Dampffalle mit beschichteten .Filterelementen unter Idealbedingungen zu einer Abscheidung

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von Natrium in einer 165 mal größeren Menge, als eine kalt betriebene Dampffalle. Dies bedeutet eine erhebliche Zunahme der Wirksamkeit gegenüber herkömmlichen Anlagen.

Beispiel 2

Vergleich von beschichteten Filtern und untie schichteten Filtern im heißen Betrieb

Verschiedene Typen von porösen gesinterten Metallfiltern mit scheibenförmiger Geometrie oder zylindrischer Geometrie werden im Warmbetrieb eingesetzt und verglichen, Die Nennparengröße der Filterelemente beträgt 35 Mikron (gewundener Gaspfad) und alle Tests werden bei einer Temperatur von 115 - 5 ⁰O durchgeführt. Die nicht beschichteten Filterelemente werden zunächst sorgfältig mit Aceton oder mit kaustischer Soda entfettet. Palis die Entfettung vollständig ist, beobachtet man keinen wesentlichen Unterschied in den Ergebnissen bei Verwendung verschiedener Entfettungsmittel,

Die beschichteten .Filter werden hergestellt, indem man zunächst die Filterelemente in ähnlicher Weise entfettet und danach die natrophobe Beschichtung aufbringt. Beim Beschichten mit Tetracosan werden die Filter bei Zimmertemperatur in eine Tetracosanlösung während mindestens 5 min eingetaucht. Die Lösung wird durch Auflösen von 0,1 g Tetraeosan in 100 ml eines organischen Lösungsmittels wie Hexan oder Heptan hergestellt. Nach dem Eintauchen der Teile werden diese bei Zimmertemperatur während mindestens 3 h vor Gebrauch an der Luft getrocknet. Zur Herstellung der Siliconlösung wird eine im Handel erhältliche konzentrierte wässrige Lösung von "Siliclad" mit destilliertem Wasser verdünnt und die Filterelemente werden in diese Lösung eingetaucht. Überschüssige Lösung wird ablaufengelassen und die Filterelemente werden mit destilliertem Wasser gespült. Danach.werden die Filterelemente während mindestens 16h bei einer Temperatur von 120 - 150 ⁰C getrocknet. Wenn ein Paraffinmotoröl (GuIf

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Crest C) für die Beschichtung verwendet wird, so wird das gleiche Verfahren wie bei Tetracosan befolgt, wobei das Öl in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst wird und in ähnlicher V/eise aufgebracht wird. Bei typischen Versuchen zeigen die Filter ohne Beschichtung eine Natriumbelastbarkeit von etwa 1,5 g/1000 cm Filterfläche, und bei höherer Belastung beobachtet man einen übermäßigen Druckabfall (0,05 Bar). Demgegenüber erlauben die beschichteten Filter eine Natriumbelastung im Bereich von 25 bis 45 g Natrium/1000 cm . Dabei liegt der Druckabfall noch wesentlich unter 0,05 Bar. Die Tests wurden vor Erreichung dieses Punktes abgebrochen.

Beispiel 3 Kombinierter Kalt- und Warmbetrieb

Ein Filter, bestehend aus Scheibenelementen mit einer Gesamt-

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oberfläche von 11 000 cm und ohne Beschichtung wird bei Zimmertemperatur von etwa 25 ⁰C betrieben, wobei ein Inertgas mit einem relativ kleinen Natriumgehalt in Form relativ groben? Natriumteilehen verwendet wird. Nach 8 Monaten, nachdem der Druckabfall einen Wert.von 0,07 Bar erreicht hat, wird der Betrieb unterbrochen. Zu dieser Zeit liegt eine Belastung

von 1 bis 1,5 g/1000 cm vor.

Sodann wird das Filter mit einem externen Heizelement auf 120 ⁰C in Abwesenheit "einer Gasströmung aufgeheizt. Diese Temperatur wird während 3 h aufrechterhalten. Sodann wird das Fi-lter auf eine Temperatur von etwa 75 ⁰C abgekühlt und wieder mit dem Katriumteilchen mitführenden Gas beaufschlagt. Dabei kühlt sich das Filter weiter bis auf etwa 25 ⁰C ab. Der Druckabfall wird in dieser Stufe von 0,07 Bar (etwa 75 cm Wasser) auf etwa 0,003 Bar (etwa 2,5 cm Wasser) gesenkt. Der Betrieb, wird während eines weiteren Monats fortgesetzt, wobei das Filter auf Umgebungstemperatur gehalten wird. Dabei erhöht sich der Druckabfall auf 0,02 Bar. Obgleich ein solcher Druckabfall an sich als nicht sehr groß gewertet werden kann,

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wurde der Betrieb doch unterbrochen und eine zweite Erhitzungsphase schloß sich an, und zwar im wesentlüien in gleicher Weise wie die erste Erhitzungsphase. Nach dieser Erhitzungsphase beträgt der Druckabfall nur 0,003 -ßar. Sodann wurde der Betrieb unterbrochen und das Filter wurde auf abgeschiedenes ITatrium untersucht(chemische Analyse). Es wurde ein reli
funden.

ein relativ hoher Beladungsfaktor von etwa 18 g/1000 cm ge-

Es wird angenommen, daß in Zukunft in mit flüssigem η Natrium gekühlten Kernreaktoren die porösen gesinterten kalt betriebenen Dampffilter alle drei bis sechs Monate ausgetauscht werden müssen, je nach der im Schutzgas mitgeführten Natriummenge. In diesem Fall massen die alten Filter vollständig aus dem radioaktiven Rohrsystem herausgeschnitten werden und durch neue Filter ersetzt werden. Dies erfordert ein Unterbrechen des Reaktorbetriebs und das verbrauchte Euter muß als radioaktiver Abfall in zeitraubender teurer Weise beseitigt werden. Aufgrund der vorliegenden Testdaten darf angenommen werden, daß die im heißen Zustand betriebenen porösen Filter mindestens mehrere Zyklen langer betrüben werden können als die normalen kaltbetriebenen herkömmlichen Filter (ein Zyklus besteht in diesem Fall aus den genannten 3 bis 6 Monaten Gebrauchsdauer eines herkömmlichen kaltbetriebenen Filters).

Die Kombination von kaltem und warmem Betrieb des Filters bietet bestimmte Vorteile. Die kalte Periode kann wesentlich langer dauern als "bisher, da zwischendurch immer wieder aufgeheizt wird. Ein solcher Natriumfallenbetrieb ist besonders vorteilhaft in bestimmten Reaktorbereichen, in denen nur eine geringe Menge Natrium im inerten Schutzgas mitgeführt wird. Andererseits können diese Vorteile bei bestimmten Kernreaktoranwendungen in ihrer Bedeutung zurücktreten, da eine genaue Temperaturkontrolle erforderlich ist.

Die Filter können verschiedene Gestalt haben, z. B. zylindri-

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sehe Gestalt oder sternförmige Gestalt oder dgl. Ferner können Filter in Form von gesintei'ten Faserelementen verwendet werden oder geätzte Metallfilter. Ferner kann man die Metallscheibenelemente 14 durch andere Arten oder andere geometrische Formen von metallischem porösen Filtermaterial ersetzen. Ferner kann man die erfindungsgemäße Natriumdampffalle auch für eine niedrig schmelzende Legierung aus Natrium und Kalium verwenden, wobei die Betriebstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes dieser Legierung liegt. In ähnlicher V/eise eignet sich die erfindungsgemäße Natriurodampffalle auch für andere möglichen Kühlmittel. Zur Beschichtung der Filterelemente eignen sich eine Vielzahl von verschiedenen Beschichtungsmaterialien. Die wesentlichen Erfordernisse bestehen lediglich darin, daß das Material natrophob in Bezug auf das jeweilige Metall und insbesondere in Bezug auf Natrium sein muß und durch Natrium nicht benetzt wird, so daß die Bildung von Kügelchen auf der Filteroberfläche ermöglicht wird, wobei die Filteröffnungen nicht verstopft werden. Andererseits soll das Beschichtungsmaterial derart ausgewählt sein, daß es den Gasstrom und das flüssige Metall nicht verunreinigt, auch wenn ein solches nachteiliges Beschichtungsmaterial sich als natrophob erweist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Abscheiden von in einem Inertgasstrom mitgeführten flüssigen Metallteilchen, wobei man das die mitgefiihrten Metallteilchen enthaltende Inertgas durch ein als Metallfalle wirkendes poröses Filter strömen läßt und die an der Filteraußenseite abgeschiedenen Metallteilchen entfernt, dadurch gekennzeichnet, daß man das Filter während einer vorbestimmten Zeitdauer auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls hält, so daß die Metallteilchen sich in flüssiger Form am Filter abscheiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß man ein Filter mit einem dünnen Überzug versieht, welcher durch das flüssige Metall im wesentlichen nicht benetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall Natrium ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Filter auf einer Temperatur zwischen etwa 110 ⁰C und 120 ⁰C hält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Filter mit einem dünnen natrophoben Überzug verwendet, so daß die abgeschiedenen flüssigen Natriumteilchen Kugelgestalt annehmen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein mit Tetracosan beschichtetes Filter verwendet.

7. . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Filter alternierend bei einer Temperatur unterhalb 95 ⁰C und bei einer Temperatur zwischen etwa 110 und 120 o_Q betreibt.

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B. · Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 "bis 7,' gekennzeichnet durch ein ■beheizbares Gehäuse- (12) mit einem Einlaß (40) für das flüssige Metällteilchen (33) mitführende Inertgas (38) und mit einem Auslaß (42) für das abgeschiedene flüssige Metall und mit mindestens einer hohlen Filterscheibe (1.4) im Gehäuse (12), deren Innenraum (17) einen Auslaß (20) für das gereinigte Inertgas aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch.eine Vielzahl von hohlen aufeinander gestapelten Filternscheiben , (14) innerhalb des Gehäuses (12), welche einen gemeinsamen Hohlraum (17) haben, der mit dem Innenraum (19) des Gehäuses (12) über Filteröffnungen (16) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (15) der Filterscheiben (14) schräg verlaufen, so daß die flüssigen Metallkügelchen (36) leicht abfallen. .

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (42) für das abgetrennte flüssige Metall in den Vorratsbehälter (30) für flüssiges Metall führt.

12. . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,, daß die Außenflächen (15) der Filterscheiben (14) mit einem natrophoben Mittel und insbesondere mit Tetracosan beschichtet sind. ,

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