一种PID自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵

本发明涉及第四代核反应堆铅基冷却剂氧浓度控制领域，具体涉及一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵。

背景技术：

1、作为第四代反应堆铅基快堆冷却剂和加速器驱动的次临界系统中散裂靶首选材料的液态铅铋合金在高温下对反应堆结构材料具有较强的腐蚀性，而其腐蚀性受氧浓度的影响，氧浓度过低会加速液态铅铋合金对铁基金属材料的腐蚀，氧浓度过高会造成液态铅铋合金本身氧化物的污染。研究表明，当液态铅铋合金中氧浓度保持在一定范围内，会在铁基金属材料表面形成致密均匀氧化层，而氧化层能够阻止液态铅铋合金对结构钢材的进一步腐蚀。因此，控制液态铅铋合金氧浓度对液态铅铋合金的应用是必要的。氧泵的工作原理是在外部外加电势下，氧离子通过固体氧化物电解质进行迁移，通过改变外加电动势的方向，向液态铅铋合金添加氧或从液态铅铋合金去除氧，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。

2、目前国际上用于控制液态铅铋合金氧浓度的方式大多数是气态氧控技术和固态氧控技术，电化学氧泵技术使用较少。而前两种技术使用时存在以下问题：1.气态氧控技术中气体和液态铅铋合金直接接触，具有很大的产生气态放射性废物的潜在可能；2.固态氧控技术需要安装固定储备的固体氧化铅颗粒，如果耗尽很难补充，而且此技术只能增加液态铅铋合金的氧浓度，不能降低系统的氧浓度。

3、发明目的

4、本发明的目的就是应对现有技术中所存在的问题，克服液态铅铋合金氧浓度控制技术的不足，提供一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，能够根据设计浓度自动调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。

技术实现思路

1、本发明公开了一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，包括氧浓度探测单元(19)、氧离子传输单元(21)和pid电压控制器(16)；

2、所述氧浓度探测单元(19)包括不锈钢外壳(1)、绝缘封头(2)、电极丝信号快接头(3)、密封法兰(4)、不锈钢卡套本体(5)、不锈钢卡套前部管箍(6)、不锈钢卡套后部管箍(7)、不锈钢卡套螺母(8)、内绝缘管(9)、1号电极丝(10)、参比电极(11)、固体氧化物电解质陶瓷管ysz(12)、连接导线(15)；正极连接导线一端插入参比电极(11)内，另一端与pid电压控制器(16)的信号输入端正极相连，使pid电压控制器(16)获得氧浓度探测单元(19)的输出电压；高温密封胶用于固定正极连接导线并使其不与不锈钢支撑筒接触，工作时固体电解质陶瓷管ysz(12)需要插入液态铅铋合金(23)中。

3、优选地，阴极连接导线一端插入阴极粉体中，另一端与pid电压控制器电压输出端负极相连，电极丝与pid电压控制器电压输出端正极相连，其余部分与氧浓度探测单元安装方式相同；进气管道(13)通过两路进气口(14)为阴极粉体供气；其中，所述pid电压控制器(16)输入端、正极连接导线、参比电极(11)、固体氧化物电解质、液态金属、电极丝形成一个闭合原电池回路，需要工作时电极丝和固体氧化物电解质陶瓷管ysz(12)的工作部分插入液态铅铋合金(23)中。

4、优选地，所述的参比电极(11)为粉末状，材料为mol比为1:1的cu/cu2o。

5、优选地，所述的阴极粉体起催化作用，将氧分子解离成氧离子或析出氧分子，参比电极(11)为粉末状，材料为lscf，分子式为la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3+δ。

6、优选地，所述正极连接导线、阴极连接导线与电极丝采用的材料为钼。

7、优选地，所述固体氧化物电解质陶瓷管ysz(12)采用底端封闭的管状，长度为150mm，内、外径分别为4mm和6mm。

8、优选地，所述固体氧化物电解质陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆的ypsz，氧化钇与氧化锆的mol比为1:19。

9、优选地，所述pid电压控制器(16)能够根据氧浓度探测单元(19)输入的电压值，自动调整对氧离子传输单元(21)的输出电压，将氧浓度调节至目标值。

10、优选地，所述pid电压控制器(16)的输出电压被限制在±2.2v以内，防止固体氧化物电解质陶瓷中的氧化锆被电解。

技术特征：

1.一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，包括氧浓度探测单元(19)、氧离子传输单元(21)和pid电压控制器(16)；

2.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，阴极连接导线一端插入阴极粉体中，另一端与pid电压控制器电压输出端负极相连，电极丝与pid电压控制器电压输出端正极相连，其余部分与氧浓度探测单元安装方式相同；进气管道(13)通过两路进气口(14)为阴极粉体供气；其中，所述pid电压控制器(16)输入端、正极连接导线、参比电极(11)、固体氧化物电解质、液态金属、电极丝形成一个闭合原电池回路，需要工作时电极丝和固体氧化物电解质陶瓷管ysz(12)的工作部分插入液态铅铋合金(23)中。

3.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述的参比电极(11)为粉末状，材料为mol比为1:1的cu/cu2o。

4.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述的阴极粉体起催化作用，将氧分子解离成氧离子或析出氧分子，参比电极(11)为粉末状，材料为lscf，分子式为la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3+δ。

5.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述正极连接导线、阴极连接导线与电极丝采用的材料为钼。

6.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述固体氧化物电解质陶瓷管ysz(12)采用底端封闭的管状，长度为150mm，内、外径分别为4mm和6mm。

7.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述固体氧化物电解质陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆的ypsz，氧化钇与氧化锆的mol比为1:19。

8.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述pid电压控制器(16)能够根据氧浓度探测单元(19)输入的电压值，自动调整对氧离子传输单元(21)的输出电压，将氧浓度调节至目标值。

9.根据权利要求1所述的一种pid自动调节液态金属氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，所述pid电压控制器(16)的输出电压被限制在±2.2v以内，防止固体氧化物电解质陶瓷中的氧化锆被电解。

技术总结
本发明公开了一种用于液态金属氧浓度控制的PID电化学氧泵，包括氧浓度探测单元、氧离子传输单元和PID电压控制器。其中，氧浓度探测单元中装有参比电极的固体电解质陶瓷管通过卡套接头与不锈钢支撑筒相连，所述卡套接头与所述不锈钢支撑筒螺纹焊接，不锈钢支撑筒上端使用绝缘密封胶固定一导线，该导线将固体电解质陶瓷管内参比电极与PID电压控制器相连。所述氧离子传输单元除不锈钢支撑筒上部接有一输气管外，与所述氧浓度探测单元结构一致。所述PID电压控制器通过氧浓度探测单元输入的信号自动调整对氧离子传输单元输出的电压，使氧浓度调控至目标值。

技术研发人员：朱卉平,吴伟豪,朱玉琦,祁睦然,牛风雷,刘芳,吴浩
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15