一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置及系统的制作方法

本发明涉及液态LBE/Pb（Lead-Bismuth Eutectic/Pb, 铅铋合金/纯铅）冷却剂技术领域，特别涉及一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置及系统。

背景技术：

由于液态铅基合金冷却剂对反应堆结构材料具有很强的腐蚀性，氧浓度控制技术普遍被认为是最有效的液态金属回路以及铅基快堆防腐手段，是确保实验回路以及铅基快堆长期安全运行的关键设备之一。铅铋合金中若溶解一定浓度的氧，可在回路的管壁上形成一层致密的氧化膜，阻止铅铋合金进一步渗透到钢材内部，起到防腐作用，因此氧浓度控制技术普遍被认为是最有效的液态金属回路防腐手段。但是液态金属中的氧浓度必须维持在合理的范围内，如果超出上限，就会造成过度氧化，固态铅、铋氧化物析出，形成氧化物残渣，污染整个液态金属系统，并可能造成传热恶化，甚至堵塞管道。如果氧浓度过低，那么回路的管壁上将无法形成氧化膜保护层，难以起到防腐蚀作用。

目前国际上主流的氧控的基本方法是气态氧控技术和固态氧控技术两种方法。

所谓气态氧控就是利用注入反应气体的物理化学反应来控制铅铋中溶解氧浓度的方法。最初采用Ar/H₂/O₂三元气体实现控氧，其中Ar（氩）气作为载气，起到稀释氢气H₂或氧气O₂含量作用，减小H₂气爆炸的危险性，但是，气态氧控存在调节速度慢、供氧效率低，存在放射性气体泄漏风险。固态氧控制技术主要是通过控制固态氧化物的溶解与析出，来实现高效、快速、清洁地调节液态铅铋合金中的氧含量，但是，固态氧控无法实现在线补充，氧化铅小球容易污染“中毒”。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置及系统，可以精确控制冷却剂中的氧浓度，使钢表面形成一层致密的氧化膜，阻止铅基合金进一步渗透到钢材内部，起到防腐作用，确保实验回路以及铅基快堆长期安全运行。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置，至少包括电化学氧泵装置以及气体补充装置，其中：

所述电化学氧泵装置包括有一不锈钢管，其上端设置有一绝缘塞，其下端密封连接一锥形或圆柱形的固体电解质，所述固体电解质外部浸设在液态LBE/Pb冷却剂中，所述固体电解质中盛放有氧源物质；在所述绝缘塞中穿设两根平行的导电金属丝，其中第一根导电金属丝下端插入到氧源物质中，其另一端与电流源相连后连接到LBE/Pb冷却剂中；第二根导电金属丝下端连接一加热片，并一并插入到氧源物质中，其另一端与电流源相连；在所述固体电解质外围设置有一个带孔金属外罩；

所述气体补充装置包括：通过气体补充管道依次连接的隔离阀、调节阀、鼓风机以及氧源物质存放罐，所述隔离阀与所述不锈钢管上端的一个支管连接。

其中，在所述不锈钢管中设置有一个用于固定所述两根导电金属丝的固定支架，所述两根导电金属丝在所述不锈钢管中至少部分位置套设有绝缘管。

其中，在所述支管中设置有一个用于检测电化学氧泵装置密封性的放射性气体监测装置。

其中，所述固体电解质为YSZ锆管或YSZ锆管；

所述导电金属丝采用的材料为钼或钽，

所述氧源物质为以氩气作为载体的氧气或空气。

其中，所述不锈钢管与所述固体电解质的连接方式为陶瓷-金属连接方式，所述陶瓷-金属连接方式采用机械封装、石墨密封、氧化铝陶瓷密封、高温胶合剂、焊接方式中之一种。

相应地，本发明实施例还提供一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度系统，其包括：

前述的LBE/Pb冷却剂中氧浓度装置，所述装置中的不锈钢管下端浸设在堆芯外侧的LBE/Pb冷却剂中；所述两根导电金属丝上端连接一电流表；

控制系统，其一端与所述电流表的另一端相连接，其另一端连接一一工作电极，所述工作电极的另一端插入所述LBE/Pb冷却剂中，所述控制系统包括：PID控制系统、电源控制系统、温度控制系统；

氧传感器，其用于检测LBE/Pb冷却剂中的氧浓度。

其中，在所述不锈钢管中设置有一个用于固定所述两根导电金属丝的固定支架，所述两根导电金属丝在所述不锈钢管中至少部分位置套设有绝缘管。

其中，在所述支管中设置有一个用于检测电化学氧泵装置密封性的放射性气体监测装置。

其中，所述固体电解质为YSZ锆管或YSZ锆管；

所述导电金属丝采用的材料为钼或钽，

所述氧源物质为以氩气作为载体的氧气或空气；

所述工作电极采用的材料为：铂、钴酸镧、钴酸锶、铁酸镧、铁酸锶、二氧化铈或二氧化钆。

其中，所述不锈钢管与所述固体电解质的连接方式为陶瓷-金属连接方式，所述陶瓷-金属连接方式采用机械封装、石墨密封、氧化铝陶瓷密封、高温胶合剂、焊接方式中之一种。

实施本发明，具有如下的有益效果：

在本发明实施例中，采用电压驱动氧离子的传输，相较现有的通过气态氧控氧离子自由扩散的方法，本发明具有离子交换率高，响应时间短的优点，便于瞬态调节；

在本发明实施例中，由于自带加热功能，能调节固体电解质的温度，提高供氧效率；

在本发明实施例中，由于置了气体补充装置，便于控制氧源溶度，同时能检测氧泵装置的完整性，在氧泵发生破裂，能迅速隔断气体泄漏管道，防止放射性气体的释放，实现放射性物质的包容；

在本发明实施例中，可以，便利地调整氧泵位置，有利于调整反应堆的冷却液中氧浓度的均匀性；

在本发明实施例中，由于在固体电解质外面罩有带孔的金属外罩，可以防止当固体电解质破裂后给反应堆引入破裂碎片，增强了氧泵的抗热冲击性能，提高了其可靠性；

在本发明实施例中，由于对固体电解质的外形改进为锥形结构，该种结构在抗冲击性能上比起传统的圆柱形结构更加可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中采用的电化学氧泵原理示意图；

图2是本发明提供的一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的系统的一个实施例中的结构示意图；

图3 是图2中控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，在本发明实施例中，电化学氧泵实质上是利用电化学的电解池原理控制氧离子的流动，从而调节固体电解质两侧的阴极阳极的氧浓度，通常被应用在氧的提纯与制造

电化学氧泵基本原理为通过在两电极处附加电压，从而控制导电离子的输入，使总反应按照预期的方向进行。此处，我们使用的是氧离子固体电解质，故这整个过程又能被称为电化学泵氧过程，如图1所示。

利用电化学泵精确控制液态铅铋/纯铅中的氧浓度时，以液态铅铋合金（Lead-Bismuth Eutectic, LBE）中的氧浓度控制为例，阳极侧的反应为：

通过控制外加电源的电势，我们可以控制电化学反应的速率及方向，从而控制反应环境中PbO的溶解度。而PbO在一定的温度下存在如下化学平衡：

因此，在已知化学平衡常数的基础上，在一定的改良下，氧离子泵逐渐被设计为一种新型的氧控设备，。我们通过监控PbO的溶解度，便能够达到测量并控制液态铅铋合金中氧浓度的目的。从而可以安装于利用铅基冷却剂的第四代反应堆中以减缓液态铅或铅铋合金的腐蚀问题。

如图2所示，示出了本发明提供的一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的系统的一个实施例中的结构示意图；请一并结合图3所示。在本发明实施例中，该系统2至少包括：控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置1、控制系统203以及氧传感器205，所述控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置1进一步包括电化学氧泵装置10、气体补充装置11。其中：

所述电化学氧泵装置10包括有一不锈钢管103，其上端设置有一绝缘塞102，其下端密封连接一锥形或圆柱形的固体电解质109，所述固体电解质109外部浸设在液态LBE/Pb冷却剂中，所述固体电解质109中盛放有氧源物质；在所述绝缘塞102中穿设两根平行的导电金属丝101，其中第一根导电金属丝101下端插入到氧源物质108中，其另一端与电流源相连后连接到LBE/Pb冷却剂中，所述第一根导电金属丝可以起到传导电子的作用；第二根导电金属丝101下端连接一加热片107，并一并插入到氧源物质108中，其另一端与电流源相连，第二根导电金属丝可以起到控制电化学氧泵温度的作用；在所述固体电解质109外围设置有一个带孔金属外罩106；所述装置中的不锈钢管103下端浸设在堆芯外侧的LBE/Pb冷却剂中；所述两根导电金属丝101上端连接一电流表202；

所述气体补充装置11包括：通过气体补充管道115依次连接的隔离阀110、调节阀111、112以及氧源物质存放罐113，所述隔离阀110与所述不锈钢管103上端的一个支管1030连接。当氧泵之中的氧源物质缺乏时，隔离阀110、调节阀111会相应的启动，并通过鼓风机112从存放罐113中抽取氧源物质108为氧泵进行补充。

控制系统203，其一端与所述电流表202的另一端相连接，其另一端连接一工作电极201，所述工作电极201的另一端插入所述LBE/Pb冷却剂中，所述控制系统203包括：PID控制系统、电源控制系统、温度控制系统；为了对控制系统203进行操作，在该控制系统203上连接有一个计算机操作装置204.

氧传感器205，其用于检测LBE/Pb冷却剂中的氧浓度。

其中，在所述不锈钢管103中设置有一个用于固定所述两根导电金属丝101的固定支架105，所述两根导电金属丝101在所述不锈钢管103中至少部分位置套设有绝缘管104，主要起到绝缘的作用。

可以理解的是，将固体电解质109设置成锥形，主要是为了达到较好的抗冲击性能；由于固体电解质109乃整个电化学氧泵的最核心部件，因此在其外围加装带孔金属外罩106，既能满足液态LBE/Pb金属穿过其中与固体电解质109接触，也能削弱LBE/Pb对固体电解质109的冲击。此外，如果出现固体电解质109材料破碎时，带孔金属外罩106还能阻挡其碎片进入LBE回路以避免其造成回路堵塞事故；

其中，在所述支管1030中设置有一个用于检测电化学氧泵装置10密封性的放射性气体监测装置114。

其中，所述固体电解质为8YSZ锆管或5YSZ锆管；

所述导电金属丝101采用的材料为钼或钽，

所述氧源物质108为以氩气作为载体的氧气或空气；

所述工作电极201采用的材料为：铂、钴酸镧、钴酸锶、铁酸镧、铁酸锶、二氧化铈或二氧化钆。

其中，所述不锈钢管与所述固体电解质的连接方式为陶瓷-金属连接方式，所述陶瓷-金属连接方式为机械封装、石墨密封、氧化铝陶瓷密封、高温胶合剂、焊接方式中之一种。

可以理解的是，可根据设计需求，调整电化学氧泵装置10在液态铅基合金中高度。

在本发明中，通过在氧泵固体电解质两侧施加一定电压，驱动氧离子从富氧一侧（气体补充系统）泵入液态铅基合金中。同时，氧泵自带加热功能，通过控制固体电解质温度，提高供氧效率。气体补充装置可以实现氧源物质的补给，同时在氧泵发生破裂，能迅速隔断气体泄漏管道，防止放射性气体的释放，实现放射性物质的包容。控制系统可以实现氧浓度自动精确控制，同时能实时检测氧泵的完整性。

具体地，实施本发明，具有以下的有益效果：

在本发明实施例中，采用电压驱动氧离子的传输，相较现有的通过气态氧控氧离子自由扩散的方法，本发明具有离子交换率高，响应时间短的优点，便于瞬态调节；

在本发明实施例中，由于自带加热功能，能调节固体电解质的温度，提高供氧效率；

在本发明实施例中，由于置了气体补充装置，便于控制氧源溶度，同时能检测氧泵装置的完整性，在氧泵发生破裂，能迅速隔断气体泄漏管道，防止放射性气体的释放，实现放射性物质的包容；

在本发明实施例中，可以，便利地调整氧泵位置，有利于调整反应堆的冷却液中氧浓度的均匀性；

在本发明实施例中，由于在固体电解质外面罩有带孔的金属外罩，可以防止当固体电解质破裂后给反应堆引入破裂碎片，增强了氧泵的抗热冲击性能，提高了其可靠性；

在本发明实施例中，由于对固体电解质的外形改进为锥形结构，该种结构在抗冲击性能上比起传统的圆柱形结构更加可靠。

实施本发明，具有如下的有益效果：

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。