Устройство для отбора проб расплавленного металла
DEVICE FOR MOLTEN METAL SAMPLING

Изобретение относится к устройствам для взятия проб в жидком или текучем состоянии и может быть использовано в ядерных реакторах для отбора проб жидкометаллического теплоносителя.
Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является устройство для отбора проб в жидком или текучем состоянии, содержащее емкость для фиксации пробы с отверстием в днище, воздушную трубку с клапаном и механизм перемещения емкости, при этом емкость снабжена крышкой, соединенной с воздушной трубкой таким образом, что полость трубки сообщается с полостью емкости через крышку (погружной цилиндр точечного пробоотбора «Таргет», каталог оборудования http://millab.ru/equipments/tsilindr target/, опубл. 1996).
В известном устройстве через отверстие днища проходит трубка с зазором относительно внутренней поверхности емкости. Трубка является трактом поступления пробы в емкость, а кольцевой зазор между ней и внутренней поверхностью емкости - объемом фиксации пробы.
Известное устройство используют следующим образом.
Емкость (цилиндр) погружают в жидкость на заданную глубину с помощью механизма перемещения. В данном случае механизм перемещения представляет собой катушку, на которую намотана воздушная трубка с закрытым клапаном, поэтому погружение емкости осуществляют путем разматывания воздушной трубки. По достижении заданной глубины погружения цилиндр останавливают, клапан на воздушной трубке открывают. После открытия клапана давление воздуха в трубке стремится сравняться с атмосферным, а давление жидкости в точке отбора - выше атмосферного на величину гидростатического давления в этой точке. За счет разности давлений в воздушной трубке и в точке отбора пробы жидкость начинает поступать по трубке в полость цилиндра, скапливаясь и фиксируясь в зазоре. Затем емкость извлекают, крышку отвинчивают, пробу направляют для анализа ее состава.
Однако в случае отбора пробы жидкого металла, например жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, применение известного устройства вызовет ряд неудобств. Как отмечено выше, после открытия клапана давление воздуха внутри цилиндра стремится сравняться с атмосферным, а давление жидкости в точке отбора - выше атмосферного. Если цилиндр погружен под уровень жидкости на глубину, превышающую его высоту, то жидкость, заполнив цилиндр, попадает и в воздушную трубку. Если отбираемой жидкостью является расплавленный металл, то он может застыть в воздушной трубке. При застывании же металла в воздушной трубке сообщение полостей прекращается, а следовательно, последующие процедуры отбора пробы будут возможны только после прочистки воздушной трубки от застывшей в нем пробы. Кроме того, при транспортировке пробы к месту извлечения ее из цилиндра с отклонением его оси от вертикального положения часть пробы будет выливаться через трубку вниз. Такая ситуация возможна при перемещении цилиндра по наклонному каналу в корпусе реактора, который могут выполнить таким с целью исключения прямого прострельного излучения из реактора за его пределы через канал или из-за затесненности пространства на крышке реактора другим оборудованием.
Таким образом, недостатками известного устройства является сложность в эксплуатации при отборе проб расплава металла, обусловленная возможностью затекания пробы в воздушную трубку с последующим ее перекрытием, что приведет к дополнительным манипуляциям по очистке трубки для последующих отборов проб, и проблемами при транспортировке пробы в наклонном положении из-за возможности вытекания пробы из цилиндра.
Технической проблемой настоящего изобретения является отбор проб расплавленного металла, в том числе, жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора.
Техническим результатом изобретения является исключение закупорки полости трубки застывающим металлом и возможности вытекания пробы в процессе транспортировки.
Технический результат достигается тем, в устройстве для отбора проб в жидком или текучем состоянии, содержащем емкость для фиксации пробы с крышкой и отверстием в днище, воздушную трубку с устройством контроля давления, полость которой сообщена с полостью емкости через крышку, и механизм перемещения емкости, внутри емкости размещен запирающий элемент для перекрытия проходного сечения воздушной трубки с возможностью его перемещения по высоте емкости вместе с уровнем жидкости за счет того, что запирающий элемент выполнен из материала, плотность которого меньше плотности отбираемой жидкости, а отверстие в днище емкости выполнено диаметром, меньшим диаметра капли отбираемой жидкости. Кроме того, запирающий элемент может быть профилирован по форме крышки.
Совокупность заявленных признаков позволит предотвратить попадание пробы в полость воздушной трубки и использовать устройство для отбора жидкого металла без дополнительных затрат на прочистку трубки, так как запирающий элемент исключит сообщение полостей трубки и емкости по достижении требуемого уровня пробы, а отверстие в емкости диаметром, меньшим диаметра отрыва капли отбираемой жидкости при заданном перепаде давления, обеспечит невытекание пробы из емкости за счет действия сил поверхностного натяжения и постоянство уровня пробы при транспортировке емкости, а значит и плотный контакт элемента с воздушной трубкой с целью перекрытия ее проходного сечения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено устройство для отбора проб (продольный разрез).
Устройство содержит емкость для фиксации пробы 1, воздушную трубку 2, полость которой сообщена с полостью емкости 1, и механизм перемещения 3 емкости 1.
Емкость 1 выполнена, например, в виде полого цилиндра, один конец которого снабжен крышкой 4, а второй - днищем с отверстием, диаметр которого меньше диаметра отрыва капли отбираемой жидкости. Сообщение полости трубки 2 с полостью емкости 1 осуществлено через крышку 4. Внутри цилиндра 1 размещен запирающий элемент 5 с возможностью перемещения по высоте за счет изменения уровня пробы, материал которого имеет плотность меньше плотности отбираемой жидкости. Запирающий элемент 5 герметизирует емкость 1 по уплотняющей поверхности крышки 4. Например, шарик и конусная крышка.
Механизм перемещения 3 емкости 1 представляет собой катушку, на которую намотана трубка 2. На конце трубка 2 снабжена механизмом контроля давления, функцию которого в данном случае выполняет клапан 6. В другом варианте исполнения устройства отбора пробы механизм контроля давления может быть выполнен в виде вакуум-насоса.
Устройство работает следующим образом.
Емкость 1 путем вращения механизма перемещения 3 - катушки - и разматывания трубки 2 погружают в жидкометаллический теплоноситель.
Для отбора и удержания пробы после погружения емкости 1 нижним концом в расплав внутри трубки 2 создают и поддерживают давление, отвечающее условию:
Для предотвращения затекания пробы из емкости 1 в трубку 2 должно выполняться условие:
где
1
p - давление в точке отбора пробы, Па;
σ - коэффициент поверхностного натяжения расплава, Н/м;
0
d - диаметр отверстия в дне емкости, м;
гер
d - гидравлический диаметр щели, остающейся между крышкой и герметизирующим элементом после уплотнения, м;
3
ρ - плотность расплава, кг/м;
h - высота заполняемой расплавом части емкости, м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
Таким образом, после погружения емкости 1 под уровень теплоносителя выполняют снижение давления в трубке 2 до требуемой величины, и через отверстие в днище емкости 1 в ее полость начинает поступать расплав за счет возникшего перепада давления. С увеличением уровня пробы в емкости 1 поднимается запирающий элемент 5, который, в итоге, упирается в крышку 4 и перекрывает сообщение полости трубки 2 с полостью емкости 1. Металл прекращает поступать внутрь емкости 1, после чего ее извлекают из реактора. Запирающий элемент 5 может иметь выступающую над уровнем пробы часть, которая профилирована по форме крышки 4, что упрощает достижение контакта элемента 5 с уплотняющей поверхностью крышки 4.
р
р
1
2
При транспортировке пробы для поддержания плотного контакта элемента перекрытия 5 с трубкой 2 необходимо обеспечить постоянство уровня пробы внутри цилиндра. В противном случае, при снижении уровня пробы, элемент 5 также будет опускаться, и расплавленный металл пробы может проникнуть в трубку 2 при отклонении емкости от вертикали и/или при резком изменении перепада давления  - . Отверстие в днище емкости 1, диаметр которого меньше диаметра капли отбираемой жидкости, позволяет удерживать отобранную пробу внутри емкости 1 при транспортировке благодаря силе поверхностного натяжения расплава из известного из уровня техники условия отрыва капли, поддерживая, тем самым, постоянство уровня пробы и плотного контакта элемента 5 с концевым отверстием трубки 2.
После извлечения емкости 1 из реактора и охлаждения пробы до ее застывания крышку 4 емкости 1 отворачивают, а емкость 1 с пробой перемещают в лабораторию, где пробу извлекают и проводят анализ.
В частном случае отбора пробы свинца емкость 1 и элемент 5 изготавливают из сталей, так как на них образуется пассивирующее оксидное покрытие. Отбираемый расплав имеет низкую адгезию к поверхностям емкости для фиксации пробы 1 и запирающего элемента 5, поэтому после извлечения пробы на стенках емкости 1 и на поверхности элемента 5 не остается значительного количества застывшего расплава. Остатки пробы могут быть отмыты с их поверхностей специальными химическими препаратами и данные элементы устройства могут использоваться повторно.