Carregamento de sódio em estado líquido

Para realizar-se o carregamento de sódio em estado líquido, é necessário primeiramente contar com um equipamento seguro, capaz de fundir o sódio que se encontra inicialmente em estado sólido e realizar o carregamento do termossifão. Assim, foi desenvolvido um novo dispositivo para carregamento de sódio em estado líquido baseado nos dispositivos apresentados em [1], [17]–[19]. A Figura 2-3 apresenta um esquema simplificado do carregador desenvolvido neste trabalho, o qual é dividido em três partes principais: Reservatório de sódio, Tubo Y e Termossifão.

Figura 2-3: Esquema simplificado do sistema de carregamento de sódio em estado líquido proposto neste trabalho. (1) umbilical para vácuo do reservatório de sódio; (2) visor de vidro; (3) umbilical para entrada de Argônio; (4) sódio em estado sólido; (5) grelha; (6) filtro; (7) válvula de esfera; (8) umbilical para vácuo do Tubo Y e Termossifão; (9) Tubo Y; (10) mangueira de silicone; (11) umbilical do Termossifão; (12) Termossifão.

Como foi mencionado anteriormente, neste dispositivo o sódio é colocado no reservatório em estado sólido, fazendo-se necessário o fornecimento de calor externo para realizar a fusão e o carregamento do sódio em estado líquido. Para isto, é utilizado um sistema de resistências elétricas no reservatório, garantindo a fusão do sódio. O Tubo Y e o termossifão estão dentro de um forno elétrico que mantém a temperatura do sódio acima do ponto de fusão do sódio, evitando que este se solidifique ao escoar do reservatório para o interior do termossifão.

Inicialmente o sódio em estado sólido (4) é colocado no interior do carregador acima da grelha de cobre (5) utilizada para transferir o calor das paredes aquecidas do reservatório até o sódio. A entrada do sódio no reservatório é observada pelo visor de vidro (2), que pode ser acoplado e desacoplado através de um sistema de flange e anais de vedação (o’rings), desenvolvido para manter o vácuo durante o carregamento. Este sistema é acoplado à estrutura do reservatório através de parafusos, como se observa na Figura 2-4a. É importante destacar que o procedimento de carregamento em estado líquido apresentado é independente do ambiente onde é carregado o sódio (com ou sem atmosfera controlada). Depois que o sódio é colocado no interior do reservatório, é realizado o processo de controle da atmosfera no interior do carregador, tentando-se manter níveis de concentração de ar menores do que 10 ppm. Para isto é realizado o seguinte procedimento, conforme mostra o esquema da Figura 2-3:

a) Fecha-se o visor de vidro do reservatório através do sistema de flange e o’rings.

b) Abre-se a válvula de esfera (7), para comunicar o reservatório com o termossifão.

c) Realiza-se vácuo em todo o sistema, até aproximadamente 10-1mbar. O vácuo é realizado com uma bomba mecânica, marca Edwards modelo nXDS15iC e um sensor de pressão de alto vácuo, marca Edwards modelo APG-MP SS NW25, o qual é conectado através de mangueiras de silicone aos umbilicais (1) e (8).

d) Fecham-se as mangueiras de silicone dos umbilicais (1) e (8) com pinças Kocher e pressuriza-se o sistema com argônio até 1 bar. O argônio é introduzido no sistema através do umbilical (3).

e) Realiza-se vácuo novamente em todo o sistema até aproximadamente 10-1mbar.

Uma vez que a atmosfera do carregador é mantida com concentrações de ar menores do que 10 ppm, realiza-se o seguinte procedimento de carregamento:

a) Fecham-se a válvula de esfera (7) e as mangueiras de silicone dos umbilicais (1), (3) e (8).

b) Aquece-se, com sistema de resistência elétrica, o reservatório, mantendo-se a temperatura em 250°C, até o sódio se fundir. Para verificar se o sódio está completamente fundido, utiliza-se o visor de vidro (2), como se observa na Figura 2-4b.

c) Aquecem-se o Tubo Y e o termossifão, que se encontram no interior do forno de aquecimento, até 200°C (Figura 2-4c). d) Pressuriza-se o reservatório com argônio até 1,1 bar, por meio

do umbilical (3).

e) Realiza-se vácuo no Tubo Y e no termossifão até 10-1mbar, através do umbilical (8).

f) Fecha-se a mangueira de silicone do umbilical (8) e abre-se a válvula de esfera (7), fazendo escoar o sódio desde o reservatório até o termossifão (12).

g) Fecha-se com pinças kocher a mangueira de silicone (10), que conecta o Tubo Y (9) com o termossifão (12) através do umbilical (11).

h) Resfria-se o sistema até a temperatura ambiente, garantindo que o sódio no interior do termossifão se solidifique.

i) Retira-se a extremidade (10) da mangueira de silicone e conecta-se o termossifão a uma bomba difusora de alto vácuo (10-6mbar) para posteriormente realizar o processo de fechamento do termossifão.

Como observado anteriormente, o procedimento de carregamento em estado líquido proposto neste trabalho independe do ambiente onde é realizado. A única diferença que existe está associada à característica inerente ao sódio que é colocado no interior do reservatório. Assim, quando o carregamento é realizado em atmosfera controlada, o sódio apresenta uma condição na superfície com brilho metálico similar à observada na Figura 2-2b. Já quando o carregamento é realizado em uma atmosfera não controlada o sódio apresenta uma camada de hidróxido de sódio na superfície do bloco de sódio (Figura 2-2a). Para evitar que estas impurezas sejam arrastadas até o termossifão, a grelha de cobre serve como o primeiro separador entre o sódio e o hidróxido de sódio.

O sódio funde primeiro que o hidróxido de sódio por possuir menor temperatura de fusão (ver Tabela 2-1). À medida que os blocos são aquecidos, o sódio fundente se expande no interior do bloco, aumentado seu volume até quebrar a camada de hidróxido de sódio da superfície. As fendas formadas deixam escoar sódio até as regiões inferiores do reservatório. Isto pode ser observado nas Figura 2-4a e Figura 2-4b, onde se observa o momento exato em que o sódio fundente quebra a camada superficial de hidróxido de sódio. A Figura 2-5a mostra a superfície de hidróxido de sódio que ficou na grelha de cobre, após o carregamento realizado em atmosfera não controlada. Note-se que a temperatura de operação do reservatório é menor que a temperatura de fusão do hidróxido de sódio, para evitar que este funda junto com o sódio. É normal esperar que pedaços das camadas do hidróxido de sódio sejam arrastradas junto com o sódio líquido até as regiões inferiores do reservatório podendo entrar no termossifão no momento do carregamento.

a)

c) b)

Figura 2-4: Carregador de sódio: a) Reservatório com o sódio em estado sólido; b) Reservatório com o sódio começando a fundir; c) Tubo Y e termossifão acoplados no interior do forno de aquecimento.

Desta forma, o carregador possui um filtro de aço inoxidável que cumpre um papel fundamental na qualidade do carregamento, evitando que pedaços menores de hidróxido de sódio entrem no termossifão durante o processo de carregamento. A Figura 2-5b mostra o filtro após o carregamento, onde se observa pedaços de hidróxido de sódio que foram arrastrados junto com o sódio líquido.

a) b)

Figura 2-5: a) Hidróxido de sódio depositado na grelha de cobre após o processo de carregamento; b) Filtro com impurezas após o carregamento.