一种流动工况下液态重金属氧浓度控制固液交换反应装置的制作方法

本发明适用于新型核工业和核技术领域，主要应用于加速器驱动次临界堆(ADS)和先进反应堆液态金属冷却剂氧含量在线控制。

背景技术：
液态铅铋合金LBE(Leadbismutheutectic)是加速器驱动的次临界系统(ADS)中散裂靶的首选材料和先进快堆的冷却剂重要候选材料。由于液态铅铋特殊的热物理性质和化学性质，例如低熔点(123.5℃)，高沸点(1670℃)，高热导率，低蒸汽压并且与空气和水没有剧烈的反应等，液态铅铋目前作为ADS散裂靶和先进快堆的冷却剂在世界范围内广泛研究。但其对钢材的腐蚀性成为其广泛运用的最大的制约。液态铅铋在中高温环境下对直接暴露在其中的钢材具有很强腐蚀性。在液态铅铋中，为了防止材料的腐蚀必须存在一定活性的溶解氧，溶解氧的活性必须足够多以避免材料氧化层的热力学溶解，起到保护材料的作用。但同时要低于PbO生成的氧活性，如果超出就会造成固态PbO析出，形成氧化物残渣，污染整个液态铅铋系统。总之，液态铅铋的操作条件必须要保证材料表面氧化层的动力学平衡和防止氧化物沉淀生成。由于以上原因，监测和控制液态铅铋中的溶解氧是很有必要的。目前控制氧浓度的方法主要有气相法和固相法两种。公开发表的文献显示仅在一些回路装置中有固相氧控的应用。已有的一种适用于实验固相氧控装置(专利已公开)，液态铅铋是静态的，适用于固相氧控机理研究，未来固相氧控将运用至铅基反应堆中，铅铋的工况是流动的。铅铋流动工况下实现固相氧控的技术难点在于PbO颗粒溶解与沉积过程中对流经质量交换器中铅铋温度和流量的精确控制和PbO颗粒的防毒害(腐蚀杂质沉积在PbO颗粒表面，PbO颗粒溶解与沉积功能将失效)。本发明将克服这些难点。发展一种流动工况下液态重金属氧浓度控制固液交换反应装置，既适合于相关机理研究，同时具有较大的工程应用价值。

技术实现要素：
本发明拟解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种安全性好、且结构简单、便于操作，且适用于实现流动工况下固相氧控技术的实验装置。本发明拟解决的技术问题方案是：一种流动工况下液态重金属氧浓度控制固液交换反应装置，包括：液态金属阀门、液态金属流量计、反应容器、滤网式过滤器、测氧仪、空冷装置、质量交换器、内置加热棒和内置热电偶；其中液态金属阀门、液态金属流量计、滤网式过滤器、测氧仪串联在反应容器出入口，空冷装置包裹在反应容器外围，质量交换器、内置加热棒和内置热电偶通过卡套或法兰连接在反应容器上；所述质量交换器通过标准法兰与反应容器连接，位于反应容器圆筒中心，插入到反应容器底部，易于更换；所述内置加热棒与空冷装置是对流经质量交换器中液态重金属进行加热和冷却，调节加热或冷却的功率，用来得到合适的液态重金属温度；所述滤网式过滤器过滤液态重金属中杂质防止杂质进入交换器中吸附在氧源颗粒表面，影响氧源颗粒氧交换的效率；打开前后液态金属阀门，通过液态金属流量计控制阀门开度调节流经反应容器中液态重金属流量，再经过滤网式过滤器过滤其中的固体杂质后经测氧仪探测液态重金属中氧浓度反馈给控制系统调节空冷装置冷却功率和内置加热棒加热功率使液态重金属快速到达合适的温度，这样液态重金属流经质量交换器与氧源颗粒发生氧交换反应后携带合适的氧浓度流出反应容器。进一步的，质量交换器通过自由伸展弹簧和与弹簧相连压紧板将氧源颗粒固定在质量交换器内，当氧源有一定消耗自由伸展弹簧将伸长，补偿反应一段时间后质量交换器内体积变化，这样氧源颗粒仍紧紧固定在质量交换器内，其中盛放氧源颗粒的圆筒呈多孔结构，确保液态重金属能够顺利通过与氧源颗粒作用。本发明与现有技术相比具有的优点如下：(1)本发明的整体结构设计简单，易于实现和操作，质量交换器、滤网式过滤器、氧传感器、内置加热棒、内置热电偶等全部采用法兰式或卡套式连接，解决了装置的密封连接、拆卸困难等问题；同时采用滤网式过滤器防止杂质进入质量交换器中吸附在PbO颗粒表面(防PbO颗粒受毒害)，影响PbO颗粒氧交换的效率，普遍用于先进反应堆氧控实验研究。(2)本发明通过自由伸展弹簧和与弹簧相连压紧板将氧源颗粒固定在质量交换器内，当氧源有一定消耗自由伸展弹簧将伸长，补偿反应一段时间后质量交换器内体积变化，这样氧源颗粒仍紧紧固定在质量交换器内，防止PbO颗粒漂浮在盛放氧源颗粒的圆筒的上半部分，影响氧交换效率。附图说明图1为本发明结构示意图；图中：1为液态金属阀门，2为液态金属流量计，3为反应容器，4为滤网式过滤器，5为测氧仪，6为空冷装置，7为质量交换器，8为内置加热棒，9为内置热电偶；图2为本发明中质量交换器示意图；图中：A1为接口法兰，A2为压紧弹簧，A3为压紧板，A4为盛放PbO颗粒的圆筒，A5为固定杆，A6为PbO颗粒，A7为固定螺母。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。如图1所示，一种流动工况下液态重金属氧浓度控制固液交换反应装置，该装置包括：液态金属阀门1、液态金属流量计2、反应容器3、滤网式过滤器4、测氧仪5、空冷装置6、质量交换器7、内置加热棒8和内置热电偶9。首先通过内置加热棒8和反应容器3外围的伴热电缆将整个装置预热至300℃，保温12小时，缓慢将铅铋注入实验系统及该装置中；实验系统中氧传感器传出信号显示铅铋的氧浓度过低反馈给控制系统，加大内置加热棒8的加热功率和提高液态金属阀门1开度，这样流经质量交换器的铅铋温度和流速都提高，加大PbO颗粒的溶解，PbO溶解后产生Pb和[O]溶入铅铋合金中，这样铅铋流出反应容器将携带大量的氧到整个铅铋系统中，出口的测氧仪5探测到氧浓度信号高于进口测氧仪5；同理，实验系统中氧传感器传出信号显示铅铋中氧浓度过高反馈给控制系统，减小内置加热棒8的加热功率与启动空冷装置6和降低液态金属阀门1开度，这样流经质量交换器的铅铋温度和流速都减小，加大铅铋中溶解氧[O]与Pb形成PbO颗粒的沉积，附着在PbO颗粒表面或被滤网式过滤器4截住，这样铅铋流出反应容器氧浓度降低，进口的测氧仪5探测到氧浓度信号高于出口测氧仪5。通过自动控制系统，实现铅铋中氧浓度自动调节。如图2所示，为质量交换器7的结构示意图，主要结构包括：接口法兰A1、压紧弹簧A2、压紧板A3、盛放PbO颗粒的圆筒A4、固定杆A5、PbO颗粒A6、固定螺母A7等组成。PbO颗粒成圆球状，紧密排列在盛放PbO颗粒的圆筒中，通过压紧板和穿在固定杆中的压紧弹簧将PbO颗粒紧紧压住，当PbO颗粒由于溶解逐渐变小，弹簧将伸长，通过推压紧板仍将PbO颗粒紧紧固定在盛放PbO颗粒的圆筒中。铅铋通过盛放PbO颗粒的圆筒外围的多孔进入质量交换器内部与PbO颗粒发生反应，进行氧交换后离开质量交换器。整个质量交换器通过接口法兰固定在反应容器3上。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。且以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。