隨著全球核能發(fā)展趨勢,國際上將核電站的發(fā)展分為四代。第一代核電站,是指上世紀50、60年代初期開發(fā)的核電站。第二代核電站,是指從60年代后期到90年代前期進一步開發(fā)和建造的發(fā)電功率達30萬千瓦的大型商用核 電站。第三代核電站,是從上世紀90年代中后期到2010年開始運行的具有更高安全指標(biāo)的先進核電站。正在開發(fā)中的第四代核電站,具有經(jīng)濟性好、安全性高、產(chǎn)生廢物少、核資源可持續(xù)、核擴散可防止等優(yōu)點。其中鉛基反應(yīng)堆(LFR)由于其突出的優(yōu)點成為第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)具有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N堆型之一。鉛基反應(yīng)堆使用鉛或者鉛鉍共晶合金(LBE)作為冷卻劑材料,且最早在前蘇聯(lián)開發(fā)用于阿爾法級核潛艇,但由于LBE是一種腐蝕材料,結(jié)構(gòu)鋼材在LBE環(huán)境會發(fā)生液態(tài)金屬腐蝕(LMC)和液態(tài)金屬脆化(LME),LMC和LME以及氧濃度成為影響鉛基反應(yīng)堆性能的關(guān)鍵問題。因此為了研究液態(tài)鉛鉍環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性,亟需開發(fā)一種可模擬不同氧濃度高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境的力學(xué)試驗系統(tǒng)。
圖1 一到四代核反應(yīng)堆發(fā)展及代表堆型
氧控方案
液態(tài)LBE控氧技術(shù)主要包括氣態(tài)控氧和固態(tài)控氧,其中氣態(tài)控氧技術(shù)又分為兩種。如圖2所示,第一種是將Ar/H2還原性混合氣體或Ar/O2氧化性混合氣體通入液態(tài)LBE內(nèi)部或覆蓋在表面,通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)對氧濃度的控制。如圖3所示,另一種氣態(tài)控氧方式為在液態(tài)LBE表面通入Ar/H2/H2O三元混合氣體,通過控制H2和H2O的組分比例來使液態(tài)LBE氧濃度達到目標(biāo)值并穩(wěn)定。第一種氣態(tài)控氧方式控氧速率較快,但是控氧精度較差且容易失控,第一種氣態(tài)控氧方式可以獲得穩(wěn)定的氧濃度且波動較小,但時控氧時間較長。
圖2 第一種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線
圖3 第二種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線
氧傳感器及氧濃度測量原理
氧傳感器是氧控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,要求其在低濃度的氧含量范圍內(nèi)準確地、穩(wěn)定地測量,同時具有長期的運行穩(wěn)定性。用于液態(tài)金屬中溶解氧的電化學(xué)氧傳感器利用了固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)體性質(zhì),可以用于測量極低的氧含量。目前,一般采用氧化鋯基固體電解質(zhì)為主要材料,利用電化學(xué)濃差式電池原理制作氧傳感器。其原理如圖4所示,根據(jù) Nernst原理,當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)兩端有氧濃度梯度時,氧離子會從高濃度的一側(cè)穿過固態(tài)電解質(zhì)到低濃度的一側(cè),于是會在固態(tài)電解質(zhì)的陰陽兩極之間形成一個可以反映兩邊氧濃度差值的電動勢(EMF)。在一定的溫度下,這個EMF的理論值可以通過公式算出:
E為理論電動勢EMF,單位為V;R=8.31441J/(mol·K),為理想氣體常數(shù);F=96484.6C/mol,為法拉第常數(shù);T為溫度,單位是K;PO2,ref為參比電極氧分壓;PO2是被測介質(zhì)中的氧分壓。在一定的溫度下,參比電極中的氧分壓是一定的,那么被測介質(zhì)中的氧分壓就可以通過測量電動勢E的值獲得。
圖4 氧傳感器原理圖
根據(jù)參比電極的不同類型,可將氧傳感器分為兩種,一種是金屬-空氣氧傳感器,如Pt-空氣氧傳感器,另一種是金屬-金屬氧化物傳感器如Bi-Bi2O3、Cu-CuO2氧傳感器。國內(nèi)外均有多家機構(gòu)研發(fā)了LBE氧傳感器,考慮到金屬-空氣參比電極傳感器需要和空氣連通,電解質(zhì)破裂可能會造成回路泄漏,優(yōu)先開發(fā)金屬-金屬氧化物參比電極氧傳感器。且Bi-Bi2O3在應(yīng)用溫度范圍、準確性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面綜合性能優(yōu)異,基于以上原因,優(yōu)先開發(fā) Bi-Bi2O3參比電極傳感器。
自行設(shè)計的Bi-Bi2O3氧傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5-a所示,實物圖如圖5-b所示,圖6為不同溫度下氧傳感器的穩(wěn)定性測試結(jié)果,測試結(jié)果誤差穩(wěn)定在2mV以內(nèi)。
圖5 Bi-Bi2O3型氧傳感器結(jié)構(gòu)圖
(1) BNC 接頭;(2) 密封法蘭;(3) 氟膠圈;(4) 密封陶瓷片;(5) 螺紋壓緊件;(6) 錐形環(huán);(7) 散熱片;(8) CF法蘭;(9) 氧化鋁陶瓷管;(10) 電極引線;(11) YSZ陶瓷錐管
圖6 不同溫度下氧傳感器穩(wěn)定性測試結(jié)果
(a) 500 ℃;(b) 450 ℃;(c) 400 ℃;(d) 350 ℃
試驗裝置
主要構(gòu)成包括:凱爾測控力學(xué)測試系統(tǒng)(臥式/立式),高溫液態(tài)LBE儲液系統(tǒng),高溫液態(tài)鉛鉍試驗腔,氧控系統(tǒng),高溫引伸計(臥式)/LVDT位移傳感器(立式),保溫系統(tǒng)以及支撐臺架。其中凱爾測控力學(xué)測試系統(tǒng)為測試主體,最大載荷50kN,最大試驗頻率15Hz。高溫液態(tài)LBE儲液系統(tǒng)儲液溫度可達550℃,最大儲液量15L,可進行液態(tài)鉛鉍氧濃度的預(yù)控制。高溫液態(tài)鉛鉍試驗腔單次試驗僅需1.5L液態(tài)鉛鉍,氧控系統(tǒng)包含氧傳感器及配套氣瓶以及控制系統(tǒng),可實現(xiàn)動態(tài)精確控氧氣,誤差可控制在2mV以內(nèi)。根據(jù)氧濃度需求,高溫液態(tài)鉛鉍試驗腔可分為氧飽和液態(tài)鉛鉍試驗腔體、貧氧液態(tài)鉛鉍試驗腔以及控氧液態(tài)鉛鉍試驗腔體。保溫系統(tǒng)控溫550℃及以上,溫差±1℃,隔熱效果良好。
高溫引伸計/LVDT位移傳感器可在550℃氧飽和液態(tài)鉛鉍試驗環(huán)境下使用,精度達到0.002mm,且配套有特制的固定移動裝置,圖7為高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境臥式單軸疲勞試驗系機結(jié)構(gòu)圖,展示了高溫引伸計的安裝方式及安裝實物圖。貧氧液態(tài)鉛鉍試驗腔以及控氧液態(tài)鉛鉍試驗腔體通過數(shù)字圖像技術(shù)(DIC)進行應(yīng)變測量。
臥式試驗裝置方便裝夾高溫引伸計且節(jié)省鉛鉍,立式試驗裝置節(jié)省占地面積,集成度較高,可根據(jù)需要設(shè)計臥式或立式結(jié)構(gòu)。
圖7高溫液態(tài)金屬環(huán)境臥式單軸疲勞試驗系機結(jié)
(a) 主機結(jié)構(gòu);(b) 引伸計安裝示意圖;(c) 引伸計安裝實物圖
參考文獻
[1]Rivai A K , Kumagai T , Takahashi M . Performance of oxygen sensor in lead-bismuth at high temperature[J]. Progress in Nuclear Energy, 2008, 50(2-6):575-581.
[2]秦博,付曉剛,馬浩然,等.鉛鉍合金氣相氧含量控制初步實驗研究[J].材料導(dǎo)報, 2019, 33(11):4.DOI:CNKI:SUN:CLDB.0.2019-11-010.
凱爾測控公司介紹
凱爾測控是一家專業(yè)從事開發(fā)、生產(chǎn)、銷售各類力學(xué)試驗系統(tǒng)的國家高新技術(shù)企業(yè),自2008年成立以來一直致力于發(fā)展新的測試方法。先后與清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院金屬所、中國工程物理研究院等國內(nèi)著名高校、科研院所建立密切合作,持續(xù)在航空、航天、核電等關(guān)鍵領(lǐng)域進行技術(shù)研發(fā)與投入。公司擁有各類力學(xué)性能試驗機四個系列四十余個品種,主導(dǎo)產(chǎn)品電磁式疲勞試驗系統(tǒng)、原位力學(xué)試驗系統(tǒng)、原位雙軸力學(xué)試驗系統(tǒng)、拉扭多軸疲勞試驗機等測試系統(tǒng)打破國外設(shè)備的壟斷。憑借著過硬的技術(shù)、性能優(yōu)良的產(chǎn)品和專業(yè)妥善的服務(wù),凱爾測控贏得了眾多用戶的信賴。
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