本發(fā)明涉及液態(tài)LBE/Pb（Lead-Bismuth Eutectic/Pb, 鉛鉍合金/純鉛）冷卻劑技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于液態(tài)鉛基合金冷卻劑對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料具有很強(qiáng)的腐蝕性，氧濃度控制技術(shù)普遍被認(rèn)為是最有效的液態(tài)金屬回路以及鉛基快堆防腐手段，是確保實(shí)驗(yàn)回路以及鉛基快堆長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。鉛鉍合金中若溶解一定濃度的氧，可在回路的管壁上形成一層致密的氧化膜，阻止鉛鉍合金進(jìn)一步滲透到鋼材內(nèi)部，起到防腐作用，因此氧濃度控制技術(shù)普遍被認(rèn)為是最有效的液態(tài)金屬回路防腐手段。但是液態(tài)金屬中的氧濃度必須維持在合理的范圍內(nèi)，如果超出上限，就會(huì)造成過度氧化，固態(tài)鉛、鉍氧化物析出，形成氧化物殘?jiān)?，污染整個(gè)液態(tài)金屬系統(tǒng)，并可能造成傳熱惡化，甚至堵塞管道。如果氧濃度過低，那么回路的管壁上將無法形成氧化膜保護(hù)層，難以起到防腐蝕作用。

目前國際上主流的氧控的基本方法是氣態(tài)氧控技術(shù)和固態(tài)氧控技術(shù)兩種方法。

所謂氣態(tài)氧控就是利用注入反應(yīng)氣體的物理化學(xué)反應(yīng)來控制鉛鉍中溶解氧濃度的方法。最初采用Ar/H₂/O₂三元?dú)怏w實(shí)現(xiàn)控氧，其中Ar（氬）氣作為載氣，起到稀釋氫氣H₂或氧氣O₂含量作用，減小H₂氣爆炸的危險(xiǎn)性，但是，氣態(tài)氧控存在調(diào)節(jié)速度慢、供氧效率低，存在放射性氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)。固態(tài)氧控制技術(shù)主要是通過控制固態(tài)氧化物的溶解與析出，來實(shí)現(xiàn)高效、快速、清潔地調(diào)節(jié)液態(tài)鉛鉍合金中的氧含量，但是，固態(tài)氧控?zé)o法實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)充，氧化鉛小球容易污染“中毒”。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的裝置及系統(tǒng)，可以精確控制冷卻劑中的氧濃度，使鋼表面形成一層致密的氧化膜，阻止鉛基合金進(jìn)一步滲透到鋼材內(nèi)部，起到防腐作用，確保實(shí)驗(yàn)回路以及鉛基快堆長期安全運(yùn)行。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的裝置，至少包括電化學(xué)氧泵裝置以及氣體補(bǔ)充裝置，其中：

所述電化學(xué)氧泵裝置包括有一不銹鋼管，其上端設(shè)置有一絕緣塞，其下端密封連接一錐形或圓柱形的固體電解質(zhì)，所述固體電解質(zhì)外部浸設(shè)在液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中，所述固體電解質(zhì)中盛放有氧源物質(zhì)；在所述絕緣塞中穿設(shè)兩根平行的導(dǎo)電金屬絲，其中第一根導(dǎo)電金屬絲下端插入到氧源物質(zhì)中，其另一端與電流源相連后連接到LBE/Pb冷卻劑中；第二根導(dǎo)電金屬絲下端連接一加熱片，并一并插入到氧源物質(zhì)中，其另一端與電流源相連；在所述固體電解質(zhì)外圍設(shè)置有一個(gè)帶孔金屬外罩；

所述氣體補(bǔ)充裝置包括：通過氣體補(bǔ)充管道依次連接的隔離閥、調(diào)節(jié)閥、鼓風(fēng)機(jī)以及氧源物質(zhì)存放罐，所述隔離閥與所述不銹鋼管上端的一個(gè)支管連接。

其中，在所述不銹鋼管中設(shè)置有一個(gè)用于固定所述兩根導(dǎo)電金屬絲的固定支架，所述兩根導(dǎo)電金屬絲在所述不銹鋼管中至少部分位置套設(shè)有絕緣管。

其中，在所述支管中設(shè)置有一個(gè)用于檢測電化學(xué)氧泵裝置密封性的放射性氣體監(jiān)測裝置。

其中，所述固體電解質(zhì)為YSZ鋯管或YSZ鋯管；

所述導(dǎo)電金屬絲采用的材料為鉬或鉭，

所述氧源物質(zhì)為以氬氣作為載體的氧氣或空氣。

其中，所述不銹鋼管與所述固體電解質(zhì)的連接方式為陶瓷-金屬連接方式，所述陶瓷-金屬連接方式采用機(jī)械封裝、石墨密封、氧化鋁陶瓷密封、高溫膠合劑、焊接方式中之一種。

相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度系統(tǒng)，其包括：

前述的LBE/Pb冷卻劑中氧濃度裝置，所述裝置中的不銹鋼管下端浸設(shè)在堆芯外側(cè)的LBE/Pb冷卻劑中；所述兩根導(dǎo)電金屬絲上端連接一電流表；

控制系統(tǒng)，其一端與所述電流表的另一端相連接，其另一端連接一一工作電極，所述工作電極的另一端插入所述LBE/Pb冷卻劑中，所述控制系統(tǒng)包括：PID控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)；

氧傳感器，其用于檢測LBE/Pb冷卻劑中的氧濃度。

其中，在所述不銹鋼管中設(shè)置有一個(gè)用于固定所述兩根導(dǎo)電金屬絲的固定支架，所述兩根導(dǎo)電金屬絲在所述不銹鋼管中至少部分位置套設(shè)有絕緣管。

其中，在所述支管中設(shè)置有一個(gè)用于檢測電化學(xué)氧泵裝置密封性的放射性氣體監(jiān)測裝置。

其中，所述固體電解質(zhì)為YSZ鋯管或YSZ鋯管；

所述導(dǎo)電金屬絲采用的材料為鉬或鉭，

所述氧源物質(zhì)為以氬氣作為載體的氧氣或空氣；

所述工作電極采用的材料為：鉑、鈷酸鑭、鈷酸鍶、鐵酸鑭、鐵酸鍶、二氧化鈰或二氧化釓。

其中，所述不銹鋼管與所述固體電解質(zhì)的連接方式為陶瓷-金屬連接方式，所述陶瓷-金屬連接方式采用機(jī)械封裝、石墨密封、氧化鋁陶瓷密封、高溫膠合劑、焊接方式中之一種。

實(shí)施本發(fā)明，具有如下的有益效果：

在本發(fā)明實(shí)施例中，采用電壓驅(qū)動(dòng)氧離子的傳輸，相較現(xiàn)有的通過氣態(tài)氧控氧離子自由擴(kuò)散的方法，本發(fā)明具有離子交換率高，響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，便于瞬態(tài)調(diào)節(jié)；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于自帶加熱功能，能調(diào)節(jié)固體電解質(zhì)的溫度，提高供氧效率；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于置了氣體補(bǔ)充裝置，便于控制氧源溶度，同時(shí)能檢測氧泵裝置的完整性，在氧泵發(fā)生破裂，能迅速隔斷氣體泄漏管道，防止放射性氣體的釋放，實(shí)現(xiàn)放射性物質(zhì)的包容；

在本發(fā)明實(shí)施例中，可以，便利地調(diào)整氧泵位置，有利于調(diào)整反應(yīng)堆的冷卻液中氧濃度的均勻性；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于在固體電解質(zhì)外面罩有帶孔的金屬外罩，可以防止當(dāng)固體電解質(zhì)破裂后給反應(yīng)堆引入破裂碎片，增強(qiáng)了氧泵的抗熱沖擊性能，提高了其可靠性；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于對(duì)固體電解質(zhì)的外形改進(jìn)為錐形結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)在抗沖擊性能上比起傳統(tǒng)的圓柱形結(jié)構(gòu)更加可靠。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明中采用的電化學(xué)氧泵原理示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的一種控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3 是圖2中控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，電化學(xué)氧泵實(shí)質(zhì)上是利用電化學(xué)的電解池原理控制氧離子的流動(dòng)，從而調(diào)節(jié)固體電解質(zhì)兩側(cè)的陰極陽極的氧濃度，通常被應(yīng)用在氧的提純與制造

電化學(xué)氧泵基本原理為通過在兩電極處附加電壓，從而控制導(dǎo)電離子的輸入，使總反應(yīng)按照預(yù)期的方向進(jìn)行。此處，我們使用的是氧離子固體電解質(zhì)，故這整個(gè)過程又能被稱為電化學(xué)泵氧過程，如圖1所示。

利用電化學(xué)泵精確控制液態(tài)鉛鉍/純鉛中的氧濃度時(shí)，以液態(tài)鉛鉍合金（Lead-Bismuth Eutectic, LBE）中的氧濃度控制為例，陽極側(cè)的反應(yīng)為：

通過控制外加電源的電勢，我們可以控制電化學(xué)反應(yīng)的速率及方向，從而控制反應(yīng)環(huán)境中PbO的溶解度。而PbO在一定的溫度下存在如下化學(xué)平衡：

因此，在已知化學(xué)平衡常數(shù)的基礎(chǔ)上，在一定的改良下，氧離子泵逐漸被設(shè)計(jì)為一種新型的氧控設(shè)備，。我們通過監(jiān)控PbO的溶解度，便能夠達(dá)到測量并控制液態(tài)鉛鉍合金中氧濃度的目的。從而可以安裝于利用鉛基冷卻劑的第四代反應(yīng)堆中以減緩液態(tài)鉛或鉛鉍合金的腐蝕問題。

如圖2所示，示出了本發(fā)明提供的一種控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖；請(qǐng)一并結(jié)合圖3所示。在本發(fā)明實(shí)施例中，該系統(tǒng)2至少包括：控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的裝置1、控制系統(tǒng)203以及氧傳感器205，所述控制液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中氧濃度的裝置1進(jìn)一步包括電化學(xué)氧泵裝置10、氣體補(bǔ)充裝置11。其中：

所述電化學(xué)氧泵裝置10包括有一不銹鋼管103，其上端設(shè)置有一絕緣塞102，其下端密封連接一錐形或圓柱形的固體電解質(zhì)109，所述固體電解質(zhì)109外部浸設(shè)在液態(tài)LBE/Pb冷卻劑中，所述固體電解質(zhì)109中盛放有氧源物質(zhì)；在所述絕緣塞102中穿設(shè)兩根平行的導(dǎo)電金屬絲101，其中第一根導(dǎo)電金屬絲101下端插入到氧源物質(zhì)108中，其另一端與電流源相連后連接到LBE/Pb冷卻劑中，所述第一根導(dǎo)電金屬絲可以起到傳導(dǎo)電子的作用；第二根導(dǎo)電金屬絲101下端連接一加熱片107，并一并插入到氧源物質(zhì)108中，其另一端與電流源相連，第二根導(dǎo)電金屬絲可以起到控制電化學(xué)氧泵溫度的作用；在所述固體電解質(zhì)109外圍設(shè)置有一個(gè)帶孔金屬外罩106；所述裝置中的不銹鋼管103下端浸設(shè)在堆芯外側(cè)的LBE/Pb冷卻劑中；所述兩根導(dǎo)電金屬絲101上端連接一電流表202；

所述氣體補(bǔ)充裝置11包括：通過氣體補(bǔ)充管道115依次連接的隔離閥110、調(diào)節(jié)閥111、112以及氧源物質(zhì)存放罐113，所述隔離閥110與所述不銹鋼管103上端的一個(gè)支管1030連接。當(dāng)氧泵之中的氧源物質(zhì)缺乏時(shí)，隔離閥110、調(diào)節(jié)閥111會(huì)相應(yīng)的啟動(dòng)，并通過鼓風(fēng)機(jī)112從存放罐113中抽取氧源物質(zhì)108為氧泵進(jìn)行補(bǔ)充。

控制系統(tǒng)203，其一端與所述電流表202的另一端相連接，其另一端連接一工作電極201，所述工作電極201的另一端插入所述LBE/Pb冷卻劑中，所述控制系統(tǒng)203包括：PID控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)；為了對(duì)控制系統(tǒng)203進(jìn)行操作，在該控制系統(tǒng)203上連接有一個(gè)計(jì)算機(jī)操作裝置204.

氧傳感器205，其用于檢測LBE/Pb冷卻劑中的氧濃度。

其中，在所述不銹鋼管103中設(shè)置有一個(gè)用于固定所述兩根導(dǎo)電金屬絲101的固定支架105，所述兩根導(dǎo)電金屬絲101在所述不銹鋼管103中至少部分位置套設(shè)有絕緣管104，主要起到絕緣的作用。

可以理解的是，將固體電解質(zhì)109設(shè)置成錐形，主要是為了達(dá)到較好的抗沖擊性能；由于固體電解質(zhì)109乃整個(gè)電化學(xué)氧泵的最核心部件，因此在其外圍加裝帶孔金屬外罩106，既能滿足液態(tài)LBE/Pb金屬穿過其中與固體電解質(zhì)109接觸，也能削弱LBE/Pb對(duì)固體電解質(zhì)109的沖擊。此外，如果出現(xiàn)固體電解質(zhì)109材料破碎時(shí)，帶孔金屬外罩106還能阻擋其碎片進(jìn)入LBE回路以避免其造成回路堵塞事故；

其中，在所述支管1030中設(shè)置有一個(gè)用于檢測電化學(xué)氧泵裝置10密封性的放射性氣體監(jiān)測裝置114。

其中，所述固體電解質(zhì)為8YSZ鋯管或5YSZ鋯管；

所述導(dǎo)電金屬絲101采用的材料為鉬或鉭，

所述氧源物質(zhì)108為以氬氣作為載體的氧氣或空氣；

所述工作電極201采用的材料為：鉑、鈷酸鑭、鈷酸鍶、鐵酸鑭、鐵酸鍶、二氧化鈰或二氧化釓。

其中，所述不銹鋼管與所述固體電解質(zhì)的連接方式為陶瓷-金屬連接方式，所述陶瓷-金屬連接方式為機(jī)械封裝、石墨密封、氧化鋁陶瓷密封、高溫膠合劑、焊接方式中之一種。

可以理解的是，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求，調(diào)整電化學(xué)氧泵裝置10在液態(tài)鉛基合金中高度。

在本發(fā)明中，通過在氧泵固體電解質(zhì)兩側(cè)施加一定電壓，驅(qū)動(dòng)氧離子從富氧一側(cè)（氣體補(bǔ)充系統(tǒng)）泵入液態(tài)鉛基合金中。同時(shí)，氧泵自帶加熱功能，通過控制固體電解質(zhì)溫度，提高供氧效率。氣體補(bǔ)充裝置可以實(shí)現(xiàn)氧源物質(zhì)的補(bǔ)給，同時(shí)在氧泵發(fā)生破裂，能迅速隔斷氣體泄漏管道，防止放射性氣體的釋放，實(shí)現(xiàn)放射性物質(zhì)的包容?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)氧濃度自動(dòng)精確控制，同時(shí)能實(shí)時(shí)檢測氧泵的完整性。

具體地，實(shí)施本發(fā)明，具有以下的有益效果：

在本發(fā)明實(shí)施例中，采用電壓驅(qū)動(dòng)氧離子的傳輸，相較現(xiàn)有的通過氣態(tài)氧控氧離子自由擴(kuò)散的方法，本發(fā)明具有離子交換率高，響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，便于瞬態(tài)調(diào)節(jié)；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于自帶加熱功能，能調(diào)節(jié)固體電解質(zhì)的溫度，提高供氧效率；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于置了氣體補(bǔ)充裝置，便于控制氧源溶度，同時(shí)能檢測氧泵裝置的完整性，在氧泵發(fā)生破裂，能迅速隔斷氣體泄漏管道，防止放射性氣體的釋放，實(shí)現(xiàn)放射性物質(zhì)的包容；

在本發(fā)明實(shí)施例中，可以，便利地調(diào)整氧泵位置，有利于調(diào)整反應(yīng)堆的冷卻液中氧濃度的均勻性；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于在固體電解質(zhì)外面罩有帶孔的金屬外罩，可以防止當(dāng)固體電解質(zhì)破裂后給反應(yīng)堆引入破裂碎片，增強(qiáng)了氧泵的抗熱沖擊性能，提高了其可靠性；

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于對(duì)固體電解質(zhì)的外形改進(jìn)為錐形結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)在抗沖擊性能上比起傳統(tǒng)的圓柱形結(jié)構(gòu)更加可靠。

實(shí)施本發(fā)明，具有如下的有益效果：

以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。