王改英，柏云清，高 勝，張 敏，黃群英，F(xiàn)DS團隊

（1．中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 安徽 合肥230031；

2．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥230027）

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）是利用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子轟擊散裂靶生成的中子作為中子源，與次臨界堆內(nèi)的高放核廢料發(fā)生持續(xù)鏈式反應(yīng)，實現(xiàn)嬗變處理高放核廢料、生產(chǎn)核燃料等功能［1］。液態(tài)鉛鉍合金（LBE）已成為目前ADS設(shè)計中散裂靶兼冷卻劑的主要候選材料［2－3］。LBE中的氧濃度過高將使管道結(jié)構(gòu)材料發(fā)生氧化腐蝕，氧化鉛（Pb O）等顆粒沉積而造成管道堵塞；而氧濃度過低又不足以在結(jié)構(gòu)材料表面形成氧化膜起到保護作用因而會發(fā)生結(jié)構(gòu)材料組分元素的溶解腐蝕或鉛鉍合金沿材料晶界滲透導(dǎo)致的晶間脆化［4］。因此，需要將LBE中的氧濃度控制在一定范圍內(nèi)，以有效降低LBE對結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，延長結(jié)構(gòu)材料的使用壽命，在350～550℃LBE中，氧濃度通?？刂圃?0－6%～10－8%范圍內(nèi)。液態(tài)鉛鉍氧傳感器主要用于精確測量高溫LBE中的氧含量，目前世界上一些著名核能研究中心和實驗室均已開展LBE氧濃度測量與控制相關(guān)實驗研究工作，如德國卡爾斯魯厄技術(shù)研究院（KIT）、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）、美國內(nèi)華達大學(xué)（UNLV）和日本原子能機構(gòu)（JAEA）等［14－18］，而國內(nèi)尚未有相關(guān)的文獻報道。

FDS團隊是以中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院為依托，與國內(nèi)外多家科研機構(gòu)密切合作建立的多學(xué)科交叉先進核能研究團隊，主要從事先進核能系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究工作。團隊已開展多年聚變堆液態(tài)金屬合金包層設(shè)計研究工作［5－8］，以 及 聚 變 堆 包 層 實 驗 平 臺——DRAGON系列液態(tài)金屬實驗回路的設(shè)計和研發(fā)［9－10］，聚變堆候選結(jié)構(gòu)材料與液態(tài)金屬相容性實驗研究［11－12］，構(gòu)建了高溫液態(tài)金屬包層綜合實驗平臺。基于液態(tài)金屬實驗研究和經(jīng)驗以及已經(jīng)成功研制的我國首座熱對流鉛鉍實驗回路（KYLIN-I）［13］，目前正在開展中型強迫對流鉛鉍實驗回路（KYLIN-II）的研制工作，其中LBE氧濃度測量與控制是回路研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，本研究設(shè)計研制了一種液態(tài)鉛鉍氧傳感器并搭建了高溫液態(tài)鉛鉍合金氧測控預(yù)研平臺，初步開展了LBE氧濃度測量技術(shù)實驗研究工作。

1 實驗裝置

1．1 氧傳感器研制

基于國際上現(xiàn)有的氧傳感器結(jié)構(gòu)特點［14－18］，本研究設(shè)計的氧傳感器實物圖如圖1所示。

圖1 液態(tài)鉛鉍氧傳感器實物圖Fig．1 Picture of oxygen sensor for LBE system

它主要由固態(tài)電解質(zhì)、參比電極、測量電極、導(dǎo)線、信號采集設(shè)備等部件組成，其中固態(tài)電解質(zhì)為儀器的關(guān)鍵部件，其材料為氧化釔增強氧化鋯陶瓷管（YSZ管），通過控制氧化釔摻雜量及其空間構(gòu)型等，YSZ管在300℃以上只允許氧離子通過，參比電極中的氧濃度飽和且已知，待測電極中的氧濃度未知，兩側(cè)電極中的氧濃度不同將形成濃差電勢，通過信號采集設(shè)備實時讀取輸出的電壓信號，可控制液態(tài)合金中的氧濃度達ppm～ppb量級［17］。

1．2 氧測控實驗裝置

為探索液態(tài)鉛鉍合金氧濃度測量與控制技術(shù)，初步完成了高溫液態(tài)鉛鉍氧濃度測控預(yù)研平臺的設(shè)計及搭建工作。氧測控實驗裝置實物圖如圖2所示。

圖2 液態(tài)鉛鉍氧測控預(yù)研裝置Fig．2 Test apparatus for oxygen measuring and controlling devices

實驗裝置主要由氬氣進氣口、氬氣出氣口、氣體質(zhì)量流量控制器及顯示儀、壓力計、熱電偶、真空系統(tǒng)及實驗腔體等部件組成。氧測量實驗主要在實驗腔體中開展，實驗腔體分為外層不銹鋼密封容器和內(nèi)層盛放液態(tài)鉛鉍合金的實驗坩堝。實驗時，將氧傳感器垂直固定于裝置頂蓋上，鉛鉍合金置于內(nèi)層坩堝中，裝置封裝后，先抽真空，再充入氬氣保護氣氛后進行加熱，鉛鉍合金熔化并達到300℃后將氧傳感器插入液態(tài)鉛鉍中，以實現(xiàn)預(yù)期氧濃度測量實驗。

2 實驗原理

氧濃度測量是基于氧濃差電勢的原理，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)側(cè)為氧濃度飽和且已知的參比電極，外側(cè)為氧濃度待測的LBE，內(nèi)外兩側(cè)氧濃度的不同將產(chǎn)生濃度差，氧離子將穿過YSZ陶瓷管從高氧濃度一側(cè)遷移到低氧濃度一側(cè)，同時形成濃差電勢，原理示意圖如圖3所示［17］。

圖3 原電池原理Fig．3 Galvanic cell principle

根據(jù)能斯特方程可推得電壓信號E值與氧濃度Co之間的關(guān)系如下式所示［14－15］

式中：R為摩爾氣體常數(shù)，J／mol·K；T為LBE的溫度，K；ΔG為Bi2O3的標準摩爾生成吉布斯自由能，J／mol；ΔG為Pb O的標準摩爾生成吉布斯自由能，J／mol；F為法拉第常數(shù)，C／mol；Cs為 LBE 中氧的溶解度，%（質(zhì)量分數(shù)）。

由上述公式可知，氧濃度與電壓信號E值成反比關(guān)系，即：LBE中的氧濃度剛達到飽和（同時PbO沉淀開始形成）時對應(yīng)的E值最小，LB E中的氧濃度最小時對應(yīng)的E值最大。

3 氧傳感器測試分析

3．1 實驗參數(shù)

通過開展氧濃度測量實驗，以期研究LBE中的飽和氧濃度隨溫度的變化規(guī)律，并與理論計算曲線相比較，評估在溫度和飽和氧濃度下，氧傳感器在LBE中輸出電壓信號的準確性，實驗相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 飽和氧濃度測量實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of saturated oxygen concentration measurement

實驗時，先將實驗腔體抽真空，再沖滿Ar惰性氣體，在保護性氣氛下加熱，待鉛鉍合金熔化并達到300℃后將氧傳感器探頭插入到氧飽和的LBE中，開展氧濃度測量實驗。

3．2 結(jié)果與討論

LBE溫度從673 K降到573 K，所得氧傳感器實驗值Eex與溫度T的變化規(guī)律（Eex－T）如圖4所示，573 K＜T＜623 K時信號波動較大，623 K＜T＜673 K時信號較穩(wěn)定；Elin（T＜623K）和E′lin（T＞623K）分別為Eex值的分段擬合曲線。圖中，橫坐標為LBE的溫度T，縱坐標為電壓信號值E，Eex為相應(yīng)實驗值。

圖4 E ex－T 曲線Fig．4 E ex－T curves

由圖中實驗結(jié)果看出，氧傳感器的電壓信號實驗值Eex隨溫度T的降低而增大，在623 K時Eex出現(xiàn)折點，分別討論如下。

573 K＜T＜623 K時，（Elin－T）擬合曲線的斜率k′為-4．85×10－6（V／K），實驗值Eex相對擬合曲k線相應(yīng)值Elin的標準偏差S1計算如下所示

623 K＜T＜673 K 時，（E′lin－T）擬合曲線斜率k″為－6．45×10－6（V／K），實驗值Eex相應(yīng)于擬合曲線值Elin的標準偏差S2計算如下所示：

由上述計算結(jié)果得知，S1和S2值均較??；S1＞S2表明，T＞623 K時信號的離散程度較小，精確度較高，其中YSZ陶瓷材料的摻雜量及空間構(gòu)型是影響氧傳感器輸出信號精確度等的主要因素；研究表明，氧化釔（Y2O3）摻雜量一般為8%～18%［18］。

氧飽和LBE中，Eth與溫度T的理論關(guān)系式如下所示［19］：

式中：Eth為氧飽和LBE中的電壓信號理論值，V；T 為 LBE的溫度，K；斜率k＝－3．63×10－5（V／K）。

由此看出，實驗曲線與理論曲線的變化趨勢一 致；／k／＞／k″／＞／k′／表 明，623 K＜T ＜673 K范圍內(nèi)擬合曲線的變化趨勢與理論曲線更接近，氧傳感器測量性能更好。

573 K＜T＜673 K范圍內(nèi)，Eex和Eth的平均值分別為0．097 98 V和0．115 32 V，兩者相差約17 m V，需對實驗值進行校正。

誤差的產(chǎn)生可能是由于電極與固態(tài)電解質(zhì)界面有微量雜質(zhì)的沉積，阻礙了氧離子的傳遞；LBE溫度測量的偏差將影響理論值的計算；氧傳感器本身及實驗裝置的誤差等原因，在后續(xù)實驗中將進一步對氧傳感器的精確度、響應(yīng)時間及使用壽命等性能進行測試與分析。

4 結(jié)論與展望

本研究設(shè)計研制了一種液態(tài)鉛鉍氧濃度傳感器，并搭建了高溫液態(tài)鉛鉍氧測控預(yù)研平臺，初步開展氧飽和狀態(tài)下液態(tài)鉛鉍合金中的氧濃度測量實驗，實驗結(jié)果顯示：300～400℃氧飽和狀態(tài)下，氧傳感器的（Eex－T）實驗曲線與理論曲線變化趨勢吻合較好，數(shù)值上存在偏差，需對氧傳感器進一步改進及校準，以獲取更高精度及更高溫度范圍內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，并提高不同氧濃度等工況下氧傳感器輸出信號的準確度，為鉛鉍合金與結(jié)構(gòu)材料相容性實驗等關(guān)鍵技術(shù)的研究提供更加完備的實驗平臺與全面的實驗數(shù)據(jù)。

致謝

特別感謝冉光明、武欣、姜志忠、朱志強和陳劉利等FDS團隊成員對本文工作的指導(dǎo)和幫助。

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