一種液態(tài)金屬冷卻核反應堆，該反應堆中的氧氣熱力學活度的監(jiān)測系統(tǒng)及氧氣熱力學活 ...的制作方法
【專利說明】
[0001]發(fā)明所涉及的
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及核動力學，并可在含鉛的液態(tài)金屬冷卻發(fā)電站中，尤其是在快中子反應堆中使用，在所述快中子反應堆的第一回路中使用的液態(tài)重金屬冷卻劑(T )KM T )為44.5%Pb和55.5%Bi的共晶合金和鉛。
[0003]所述液態(tài)重金屬冷卻劑的特點為其對結構材料具有非常高的腐蝕性。
[0004]因此，在使用含鉛的液態(tài)金屬冷卻劑時出現(xiàn)的主要技術問題是:
[0005]-要保證與含鉛的液態(tài)金屬冷卻劑接觸的結構材料的耐腐蝕性；
[0006]-要保證冷卻劑本身以及循環(huán)回路設備內表面的必要的清潔度(避免裝置的個別區(qū)域出現(xiàn)渣化)。
[0007]同時，溶解在液態(tài)重金屬冷卻劑中的氧氣濃度對與液態(tài)重金屬冷卻劑接觸的管道和設備表面的腐蝕行為有顯著影響。
[0008]由于鉛和鉍對氧氣的親和性要比鐵和鉻低，所以在與含有溶解氧的鉛或鉛鉍的熔體接觸的鋼的表面上形成了非常薄的(1-10微米)，與基體結合良好的，結實的氧化膜。由于存在這種氧化膜，所以結構材料的耐腐蝕性顯著增強。
[0009]因此，目前氧氣鈍化(緩蝕)表面是保護與液態(tài)重金屬冷卻劑接觸的結構材料的主要方法，該方法包括在材料的表面形成并維持氧化膜。
[0010]由于氧化膜的性質，冷卻劑中氧氣的熱力學活度水平在很大程度上決定了在裝置運行過程中的氧化膜的狀態(tài)。
[0011]當溶解到冷卻劑(鉛，鉛鉍)中的氧氣濃度降低到臨界值以下時將不會對結構鋼提供可靠的防腐蝕保護。
[0012]另一方面，在冷卻劑中存在顯著量的氧氣也不好，因為這會導致在冷卻劑中積累了超出允許量的固體氧化物。
[0013]所有這些都要求持續(xù)監(jiān)測在任何規(guī)定的運行模式下的冷卻劑中的氧氣熱力學活度是否維持在規(guī)定的數(shù)值。
【背景技術】
[0014]已知一種核動力裝置，其包括液態(tài)金屬冷卻核反應堆，蒸汽發(fā)生器，循環(huán)栗及液態(tài)金屬冷卻劑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，所述核反應堆的殼體具有設置在冷卻劑水平線下的堆芯，所述監(jiān)測是通過使用一個浸沒在冷卻劑內并連接有測量部件的控制元件對氧氣熱力學活度進行持續(xù)測量來實現(xiàn)的。[馬丁諾夫Π.H.，阿斯哈杜林P.ΠΙ.，西馬科夫A.A.等人.《鉛鉍(鉛)的冷卻劑和核動力裝置回路表面狀態(tài)的自動化的預測監(jiān)控和控制系統(tǒng)的創(chuàng)建》，第三次行業(yè)間科學實踐會議論文集《核工藝中液態(tài)重金屬冷卻劑》。奧布寧斯克，2008年9月15-
19日，共二卷。奧布寧斯克:國家科學中心俄羅斯聯(lián)邦物理能源大學，2010年，第一卷，128-136 頁]
[0015]但是，由于無法了解到在回路的不同部位及在不同操作模式下的氧氣熱力學活度的真實數(shù)值，所以所得的數(shù)據并不總是客觀的，這會導致核裝置回路的“冷的”部分中氧化相的渣化和結晶，及“熱的”區(qū)域中結構材料內表面的保護性氧化層的破壞。
[0016]因此，為了保證循環(huán)液體金屬冷卻核裝置運行的安全和可靠性，一定要將冷卻劑中的氧氣熱力學活度維持在一定水平，因此要對這個參數(shù)進行可靠且準確的監(jiān)測。
[0017]除此之外，改變所有核裝置的運行模式(改變功率，冷卻劑的流量)是獲取關于氧氣熱力學活度與溫度的關系的操作信息的通常做法，這是非常不合適的。

【發(fā)明內容】

[0018]本發(fā)明的技術任務是保證在液態(tài)金屬冷卻劑中氧氣熱力學活度狀態(tài)監(jiān)測的可靠性并能在任何規(guī)定的核裝置運行模式下維持其狀態(tài)。
[0019]本發(fā)明是技術成果為通過獲取連續(xù)的準確的關于反應堆通流部分中液態(tài)金屬冷卻劑的物理化學過程的數(shù)據而提高反應堆運行的可靠性。
[0020]上述技術通過創(chuàng)建一種液態(tài)金屬冷卻核反應堆來實現(xiàn)，其包括裝有設置在冷卻劑水平線下的堆芯的殼體，蒸汽發(fā)生器，循環(huán)栗及包含設置在反應堆內與測量部件連接的控制元件的液態(tài)金屬冷卻劑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述監(jiān)測系統(tǒng)的控制元件為設置在反應堆殼體中間部分和周邊部分的，其傳感元件位于液態(tài)金屬冷卻劑層中的氧氣熱力學活度傳感器，以及一個設置在液態(tài)金屬冷卻劑水平線上方并能夠定期浸入到冷卻劑中的附加的氧氣熱力學活度傳感器。
[0021]氧氣熱力學活度傳感器的數(shù)量可以是不同的，增加其數(shù)量會提高測量的準確性。但是，傳感器的安裝與破壞反應堆殼體的完整性相關，因此，優(yōu)選地，其傳感元件位于液態(tài)金屬冷卻劑層中的氧氣熱力學活度傳感器的數(shù)量不少于兩個。此時，其中一個傳感器位于冷卻劑從堆芯排出的區(qū)域內的反應堆殼體的“熱的”中間部分，而第二個位于殼體周邊的“冷的”部分。
[0022]由于設置在冷卻劑水平線上方的附加的氧氣熱力學活度傳感器是定期運行的，因此其安裝有垂直位移機構以使該傳感器的傳感元件能浸入到冷卻劑層中。
[0023]優(yōu)選地，所述附加的氧氣熱力學活度傳感器設置在反應堆殼體中間部分的冷卻劑水平線上方。
[0024]優(yōu)選地，使用固體電解質傳感器作為所述的氧氣熱力學活度傳感器。
[0025]還通過創(chuàng)建一種監(jiān)測核反應堆內液態(tài)金屬冷卻劑狀態(tài)的系統(tǒng)來實現(xiàn)本發(fā)明的技術成果，其包括設置在反應堆內與測量部件連接的控制元件，所述控制元件為設置在反應堆殼體中間部分和周邊部分的，其傳感元件位于液態(tài)金屬冷卻劑層中的持續(xù)運行的氧氣熱力學活度傳感器，以及一個設置在液態(tài)金屬冷卻劑水平線上方并能夠定期浸入到冷卻劑中的附加的氧氣熱力學活度傳感器。
[0026]優(yōu)選地，所述的其傳感元件位于液態(tài)金屬冷卻劑層中的氧氣熱力學活度傳感器的數(shù)量不少于兩個。
[0027]優(yōu)選地，所述的設置在冷卻劑水平線上方的附加的氧氣熱力學活度傳感器安裝有垂直位移機構。
[0028]優(yōu)選地，所述附加的氧氣熱力學活度傳感器設置在反應堆殼體中間部分的冷卻劑水平線上方。
[0029]優(yōu)選地，使用固體電解質傳感器作為所述的氧氣熱力學活度傳感器。
[0030]同時，所述傳感器必須能在溫度為350_650°C，壓力達1.5MPa，熱沖擊達100°C/秒和冷卻劑速度達1.0米/秒條件下并在Pb或Pb-Bi熔體侵蝕反應的條件下可靠地運行。
[0031]因此，本發(fā)明所使用的氧氣熱力學活度傳感器是基于使用固體氧化物電解質濃差電池的電化學方法運行的。已知一種用于確定不同物質中的氧氣含量的類似的傳感器，在能源領域、化工業(yè)及汽車制造工業(yè)中用于監(jiān)測氣體中的氧氣，在冶金和半導體技術領域用于監(jiān)測金屬恪體內的氧氣。
[0032]申請人還申請了一種通過測量冷卻劑中氧氣熱力學活度并將讀數(shù)傳輸?shù)綔y量部件上而監(jiān)測液態(tài)金屬冷卻核反應堆內氧氣熱力學活度的方法，其中對在反應堆殼體的中間“熱的”部分和周圍“冷的”部分的氧氣熱力學活度進行持續(xù)的測量并對在反應堆中間“熱的”部分的氧氣熱力學活度進行額外的定期測量。
[0033]對反應堆中間部分的氧氣熱力學活度進行每月1-2次的額外測量。
【附圖說明】
[0034]通過附圖解釋本發(fā)明的內容，其中圖1為裝有液態(tài)金屬冷卻劑內氧氣熱力學活度監(jiān)測系統(tǒng)的核反應堆，而圖2為B M-40 A和O K-550裝置內鉛鉍冷卻劑溫度與氧氣熱力學活度傳感器(AAK )讀數(shù)的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0035]液體金屬冷卻核反應堆具有殼體I，所述殼體裝有設置在冷卻劑水平線下的堆芯2，在所述堆芯上方設置有防護塞3