Min sidste blog handlede om mit besøg til en af verdens første atomreaktorer i Hanford og den forrige handlede om de store linjer i den forskning, vi laver i Copenhagen Atomics. Denne blog går helt ned i detaljen og handler om en ny pumpe, vi er ved at udvikle. Her er også et link til min TED talk, som nu nærmer sig 100.000 views ialt.
Pumper er vigtige i mange applikationer. Ifølge Grundfos står pumper for over 10% af verdens samlede elektricitetsforbrug. En saltsmeltereaktor skal også bruge en pumpe, og den er en meget vigtig komponent. Uden pumpen så går reaktorens kædereaktion i stå og dermed også varmeproduktionen. Pumper og ventiler er de eneste mekaniske komponenter i reaktorens primære loop. Man kan ikke lige komme ind og servicere en pumpe i en reaktor, så de skal være lavet til at kunne køre i mange år uden service, og så gør man klogt i at sætte flere pumper parallelt. Af denne grund har vores waste burner-design også adskillige pumper, så man kan tåle, at en eller flere af pumperne falder ud, før hele containeren med reaktoren sendes til recycling. Pumpen er således en af de komponenter, som sætter begrænsning for reaktorens levetid, eller i hvert fald hvornår den første gang skal sendes til renovering. Danmark har sjovt nok to af verdens førende pumpeproducenter (Danfoss og Grundfos). Hvis nogen af vores læsere skulle ligge inde med nyttig viden om pumpedesign, så vil vi meget gerne i kontakt med jer.
Der er flere af de andre Thorium MSR-startups, som vi har talt med, og som er i gang med at lave aftaler med pumpeleverandører om at lave pumper til en saltsmeltereaktor. Vi har også gennemsøgt markedet i et års tid, og det er nu blevet klart for enhver i denne branche, at der ikke findes nogle hyldevarepumper til radioaktive saltsmelter. Der findes pumper, som bruges til saltsmelteapplikationer i f.eks. koncentreret-solkraft saltloops. Men de kører typisk kun op til 500°C, og den salt de bruger er mindre korrosiv og de har ikke nogen radioaktivitet, så man kan let udskifte og servicere pumperne. Deres designkrav er nogle helt andre end vores. Der findes ganske vist pumpeproducenter, som har hyldevarer, hvor man kunne skifte pakninger, lejer og andre dele ud, så man kommer tæt på noget, som opfylder de krav, vi har.
Før jeg lister de krav, vi har til en pumpe, så skal jeg også lige fortælle, at Copenhagen Atomics jo er i gang med at bygge et salt loop, som kan bruges af ingeniører og forskere rundt om i verden til at lave test og R&D på saltsmeltereaktorer. Til dette loop har vi også brug for en pumpe, og vi har prøvet flere pumper på markedet og forsøgt at ”rette dem til”, så vi kunne bruge dem i vores loop, men uden større held. Derfor har vi nu taget en beslutning, at lave vores egen pumpe fra bunden i stedet for at bruge tid og penge på noget som alligevel ikke løser opgaven helt tilfredsstillende. Vi tror på, at hvis vi gør det rigtigt, når vi designer en lille pumpe til vores loop, så kan vi lære noget meget værdifuldt til de pumper, som skal bruges i en rigtig reaktor en dag.
Derfor prøver vi at designe den lille pumpe efter nogle af de samme retningslinjer, som vi vil se i en rigtig reaktor. Salten er korrosiv og er 700 – 800°C i typisk reaktordrift. Den skal kunne køre op og ned i temperatur og flowhastighed og virke uden service i 40.000 timer. I en rigtig reaktor vil der udskilles såkaldte forsinkede neutroner af visse fissionsprodukter, så selv hvis pumpen placeres flere meter væk fra reaktorkernen, vil den stadig blive udsat for en stor mængde neutronbestråling. Dette betyder, at vores pumpe helst skal laves af materialer med lavt neutrontværsnit.
Eksempel på neutroninduceret opsvulmning
Til pumpen i vores reaktordesign er vi også interesseret i. at den skal kunne holde i mange år uden service, og vi er interesseret i, at den er billig at producere ved et lavt antal enheder. Desuden er der hele drøftelsen om rørføring med dobbeltvæggede rør. Vi har ikke nogle radioaktive salte i de første loops, så vi har valgt at designe den første pumpe uden mulighed for dobbeltvæggede rør. Men vi har haft det lidt i vores tanker alligevel. Til sidst så ønsker vi også at kunne køre med NaCl (bordsalt) i vores loop, så her skal pumpen kunne klare 900°C. Ved de temperaturer gløder hele pumpen, lejer og pakninger næsten orange. Dog er den selvfølgelig pakket ind i et tykt lag isolering.
Både i en reaktor og i et loop, som vores, ville det være rart, hvis pumpen er selvansugende, så den kan sidde i ”tørvejr” over væskeoverfladen, inden salten fryser, for så kunne den selv trække salten op i pumpen, når salten smeltes igen. En gearpumpe er rigtig god til dette. Gearpumper bruges især i støbemaskiner, og der er flere modeller, som kan klare temperaturer op til 500°C. Men producenterne af gearpumper vil ikke garantere, at pakninger, lejer og andet holder, når vi kommer op på 700 – 900°C i driftstemperatur. Husk på, at gearpumper skal overholde små tolerancer, og en uensartet temperatur vil føre til en ikke uniform ekspansion, resulterende i accelereret slid eller total oplåsning. Desuden vil det give problemer i en gearpumpe, hvis der er noget salt, som ikke kommer ud men størkner inde i pumpen. En anden stor fordel ved gearpumper er, at der er meget god sammenhæng imellem akselhastighed og flowhastighed.
Vi har valgt, at pumpen skal sidde i ”tørvejr”, og den skal primes ved at tryksætte saltsmelten, som så stiger op til pumpen. Hvis man vil have en pumpe med meget store tolerancer, en som er driftsikker i mange timer, så er en centrifugalpumpe et oplagt valg. Vi ved, at der er andre, som kigger på elektromagnetiske pumper uden bevægelige dele, men det virker, som om, der er en del R&D før det er klar til brug i praksis. Der vil også være problemer med, at forskellige elementer i salten kan udfældes i pumpen.
En centrifugalpumpe kan let skaleres op og ned, så det man lærer på en lille pumpe kan let genbruges på en stor. Vi prøver stadig forskellige designversioner enten med magnetkobling eller akslen ud igennem første barriere.
Så valget er altså faldet på en centrifugalpumpe, fordi den er super simpel, kan tåle at forskellige dele har forskellige temperaturer, og den kan dræne sig selv, blot den sidder over væskeoverfladen.
I den første pumpe, vi afprøvede vist på billederne her i bloggen, brugte vi en aksel og pakninger. Grafit er et oplagt valg til denne pakning, da det kan tåle salten, temperaturen og neutronerne. Denne pakning var dog ikke tæt i praksis, og vi har nu valgt at afprøve et nyt design med magnetkobling.
Grafit tåler ikke ilt ved de høje temperaturer, men det gør salten og metallerne heller ikke, så det er oplagt at have argon, helium eller en anden covergas i pumpen. Vi ønsker ikke, at salten kommer op til kuglelejerne. Vi har også et ønske om at genbruge store dele af dette pumpedesign til en kompressor, som kan pumpe argon; 1 m3 / minut ved 800C. Hertil skal vi bruge en turboimpeller i nikkellegering og op til 24000 omdrejninger per minut. Bl.a. derfor ønsker vi et design med kuglelejer. Vi har afprøvet Si3N4 kuglelejer, som skulle virke uden smøring ved 800C og sammen med fluorid-dampe fra salten.
Der skal også indbygges et varmelegeme i pumpen, så pumpen kan forvarmes til 700 - 850°C, inden salten sendes op i pumpen. Problemet med hyldevarepumper er typisk, at de ikke gør det særlig nemt at få en covergas ind i pumpen eller at tilkoble varmelegemer til forvarmning. Det er heller ikke altid uproblematisk at få udskiftet lejerne til keramikkuglelejer, som kan tåle de høje temperaturer og neutronbestråling. Det design, som er vist nedenfor, viste sig dog ikke at virke som forventet, og vi er allerede i gang med næste iteration.
Beslutningen om at lave vores eget pumpedesign til loopet blev reelt taget for 3 måneder siden. Vi tegnede først nogle ideer og udkast på bagsiden af en serviet, som det hører sig til. Dernæst gik jeg i gang med at finde pakninger og lejer, som kunne passe til vores krav. De blev bestilt, og efter de var kommet hjem, og vi havde sikret os, at det så acceptabelt ud, så gik jeg i gang med at tegne diverse dele til pumpen i CAD. Vi skulle 3 iterationer igennem, før vi overhovedet havde noget, som kunne opfylde alle vores krav. Så sendte jeg de forskellige pumpedele ud på nettet for at få priser på 3D print i plast, 3D print i rustfri stål og CNC fræsning og drejning af emner. Meeeeennnnn…. Jeg har jo aldrig designet en pumpe før, så Janteloven tilsiger jo, at det skal jeg holde mig langt væk fra. Eller jeg skal i hvert fald rådføre mig med nogle eksperter i pumpedesign, før vi sætter den næste version af designet i produktion.
Følgende er en beskrivelse af de designvalg, vi har gjort. Vi havde en anden pumpe i plast og rustfrit stål på ca. samme størrelse med magnetisk kobling, som kunne pumpe ca. samme kapacitet, som vi ønsker. Grundet begrænset tid og viden har vi ikke lavet flow beregninger og flow- og tryk simuleringer af pumpen. Det er vi godt klar over, at man ville gøre på en rigtig pumpe, som skal holde i mange år. Men vi er mere interesserede i hurtigt at få lavet en afprøvning med rigtig salt ved 700°C for at få en grov indikation af eventuelle problemer, før vi går i detaljen og optimerer flow og tryk. Jeg vil også rigtig gerne vide, hvor meget afvigelse, der er imellem de simulerede resultater og virkeligheden. Da det ikke er noget, jeg har erfaring med. Vi håber, der er læsere som har denne viden. Følgende er et tværsnit af vores eget pumpedesign i den første version, som vi fik 3D printet i plast.
Der er to 608 kuglelejer omkring den mørkegrå aksel i midten. Nålelejer til fjederen er postkasserøde. Alle de grå er emner, som kan CNC drejes eller fræses i rustfrit stål 316L. Mørkegrå emner bag den lilla er de 2 grafitpakninger, som viste sig lidt utætte i praksis. Den røde håndtegnede streg viser, hvordan vores argongas vil flyde igennem pumpens indre.
Målet er, at de enkelte dele i pumpen kan vokse eller svinde helt op til en 1 mm, uden at pumpen bryder sammen af den grund. Det mest kritiske er, hvis akslen i midten vokser mere end de keramiske kuglelejer, så kan vi risikere, at disse kuglelejer knækker i den inderste krans. I næste design-version bruger vi en tykkere aksel, og så er kuglelejerne flyttet helt ud i bagenden, hvor temperaturen holdes under 250 C.
Her kommer tre 3D billeder af vores pumpehjulsdesign. Det er designet ud fra min “mavefornemmelse”, men det viste sig at pumpe meget fint med en boremaskine.
Når man skal producere pumpehuset (det blå emne) i virkeligheden, så vil man nok CNC fræse det ud af Hasteloy N. Når pumpen har kørt i mange timer ved 700 - 900°C, så vil flere bolte og kontaktflader formentlig ”svejse” sig sammen. Det betyder også, at der skal bruges vinkelsliber eller mejsel, når pumpen skal skilles ad og evt. renoveres.
Her er en kort video af en af de første vandtest af den første pumpe, som vi fik 3D printet i plast
I denne uge var vi to mand fra Copenhagen Atomics i USA til Molten Salt Reaktor Workshop ved ORNL i Tennessee. Her var 300 Molten Reaktor Professionelle samlet fra 9 lande for at høre om det sidste nye på vores felt.
Den 13. oktober kan du møde Copenhagen Atomics i Ingeniørhuset til Kulturnatten. Her viser vi vores loop og pumpedesign frem, og der vil være to foredrag af 30 minutters varighed om Thorium MSR.
