CN102749949B - 一种适用于实现氧控反应的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于实现氧控反应的实验装置，用于铅铋中不同温度和氧浓度测控条件下的氧控相关实验。该装置解决了常温固态铅铋下，装置的密封连接、拆卸以及测量准确度的问题，它由波纹管、测氧仪、热电偶、搅拌器、连接件、密封法兰、进气口、出气/出液口组成。本发明采用波纹管连接密封，实现搅拌器和测氧仪的升降，解决了该反应装置无法在常温固态铅铋状态下密封的问题；同时用连接件连接热电偶和测氧仪，保证热电偶和测氧仪的同步升降实现测氧仪附近液态铅铋中的温度测量，使测氧仪信号对应的温度更为准确；搅拌器的叶片与上端金属连杆之间采用螺纹连接方便拆卸，同时可以更换不同型号的叶片实现不同的液态铅铋流场的实验；密闭法兰用来连接密封测氧仪和热电偶便于更换。该装置的设计特别适用于不同温度和流速参数的液态铅铋氧控实验研究。

Description

一种适用于实现氧控反应的实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于加速器驱动次临界堆（ADS）中氧控制技术的预研装置，为未来应用于ADS反应堆的氧控技术提供简单易行的研究平台。

背景技术

铅铋合金以其特殊的热物理性质和化学性质成为ADS散裂靶和冷却剂的首选候选材料，在世界范围内得到广泛研究。在ADS中铅铋用于冷却剂的一个重要问题是回路中结构材料的腐蚀。由于核系统中钢的主要合金成分的高的溶解度，如果不实施保护措施，液态铅铋通过质量溶解对钢的腐蚀非常严重。结构材料的腐蚀是铅铋作为ADS和先进核反应堆核冷却剂的一个重大挑战。降低腐蚀的一种方法是形成稳定的氧化层以保护结构材料，因为金属氧化物的溶解度比用做钢基体的合金元素的溶解度低很多。

铅铋的操作条件必须要保护氧化层的动力学平衡。由于这个原因，在熔化的铅铋中，一定活性的溶解氧必须存在。溶解氧的活性必须足够多以避免保护氧化层的热力学溶解，但是也要同时低于PbO生成的氧活性。PbO可能阻塞或者毁坏系统或者提供不易清除的氧源。由于这个原因，控制铅铋合金中的氧浓度和活性是很必要的。通过控制温度和铅铋中的溶解氧的浓度，可以在钢容器或者基体的表面获得有效的氧化层来增强结构材料抗腐蚀的阻力。

正是氧控技术的需求，研究装置的搭建的意义至关重要。一种适用于实现氧控反应的实验装置可以提供氧控技术研究的重要实验平台。一般国外的实验装置是密闭的环境中，在加热使铅铋熔化状态下密封以及打开装置的密封法兰，以实现测氧仪、热电偶等需要深入铅铋液面下的器件实现升降，需要借助手套箱、内置加热炉等设备，操作上不方便。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以在一般环境中操作，安全性好，且结构简单，便于操作的适用于实现氧控反应的实验装置。

本发明的技术解决方案是：一种适用于实现氧控反应的实验装置包括：测氧仪7、热电偶8、搅拌器1、连接件6、第一波纹管3、第二波纹管9、密封法兰2、进气口4和出气/出液口5；所述搅拌器1通过第一波纹管3连接到法兰盘10上；搅拌器1由电机、金属连杆和叶片组成，金属连杆与叶片连接，电机通过金属连杆带动叶片实现对液态铅铋的搅动，通过第一波纹管3的伸缩能够控制叶片深入到铅铋液面下的位置，实现改变液态铅铋流场分布的实验；所述测氧仪7和热电偶8通过连接件6固定在一起，测氧仪7通过第二波纹管9连接密封到法兰盘10上，第二波纹管9的伸缩带动测氧仪7和热电偶8的上下移动升降，实现测氧仪7和热电偶8的升降及在液态铅铋中插入的深度，用来测量不同铅铋液面深度下的氧浓度和温度分布；所述密封法兰2用来密封热电偶8和测氧仪7；所述进气口4和出气/出液口5分别以螺纹的方式密封安装在法兰盘10上，通过螺纹旋转控制进气口4和出气/出液口5的升降深度，实现不同的功能。

所述搅拌器1的金属连杆和叶片之间通过螺纹连接，方便拆卸安装，通过更换不同尺寸的叶片来实现不同速度和流场分布的氧控实验。

所述进气口4通过螺纹密封，通过旋转螺纹的方式实现不同的通气方式，旋转螺纹使进气口4位于铅铋液面以上，进气口4将气体通入覆盖气体中实现反应，旋转螺纹使进气口4位于铅铋液面以下，进气口4将气体鼓入铅铋中可以加快反应速度。

所述出气/出液口5与法兰盘10之间是螺纹密封，通过旋转螺纹能够实现出气/出液口5的升降，氧控实验中旋转螺纹使出气/出液口5位于铅铋液面以上，出气/出液口5作为出气口用来排出反应气体，可以通过旋转螺纹的方式使出气/出液口5远离铅铋液面，以保证通入的混合气体充分反应，尽快实现化学反应平衡。氧控实验后可以旋转螺纹使出气/出液口5位于铅铋液面以下，出气/出液口5作为铅铋出液口，通过气体压力将液态铅铋排空。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

（1）本发明的整个结构设计的结构简单，安全性好，不需要在特殊的密闭容器中加热状态下进行拆卸安装。解决了常温固态铅铋下，装置的密封连接、拆卸以及测量准确度问题，本发明易于实现和操作，可普遍用于铅铋氧控实验研究。

（2）本发明的出气/出液口具备排气和排液两种功能，实验过程中用于排放反应气体，实验后如需将铅铋排空，可以将其旋到液面下，通过装置中覆盖的气体压力将铅铋排出。

（3）本发明的进气口通过螺纹密封与法兰盘连接，可以实现不同的通气方式，螺纹旋转使通气口在铅铋液面以上时气体通入覆盖气体中实现反应，通过旋转使其到液面以下时气体鼓入铅铋可以加快反应。

（4）本发明采用电机带动的叶片组成的搅拌器来实现对液态铅铋的搅拌，同时叶片与金属连杆之间的螺纹连接可以实现对不同型号叶片的更换，实现不同流场的实验参数需求。

（5）本发明采用波纹管对搅拌器和测氧仪进行连接密封，同时能实现对密封器件的升降以及定量控制深入铅铋的深度，用来测量不同深度铅铋的温度和氧浓度的分布。

（6）本发明的热电偶通过连接件与测氧仪相连实现升降效果，避免了再次用波纹管密封的复杂性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中搅拌器的叶片结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括测氧仪7、热电偶8、搅拌器1、连接件6、第一波纹管3和第二波纹管9、密封法兰2、进气口4、出气/出液口5。搅拌器1通过第一波纹管3连接到法兰盘10上，搅拌器1由电机、金属连杆和叶片组成，电机通过金属连杆带动叶片实现对液态铅铋的搅动，通过波纹管的伸缩可以定量的控制叶片深入到铅铋液面下的位置，实现改变液态铅铋流场分布的氧控实验；所述搅拌器1的金属连杆和叶片之间通过螺纹连接，方便拆卸安装，也可以通过更换不同尺寸的叶片来实现不同速度和流场分布的氧控实验；所述测氧仪7和热电偶8通过连接件6固定在一起，测氧仪7通过第二波纹管9连接密封到法兰盘10上，第二波纹管9的伸缩带动测氧仪7和热电偶8的上下移动升降，实现测氧仪7和热电偶8的升降以及在液态铅铋中插入的深度用来测量不同深度铅铋中的温度和氧浓度分布；所述进气口4和出气/出液口5分别通过螺纹密封的方式安装在法兰盘10上，通过旋转螺纹使进气口4和出气/出液口5升降到不同的位置实现不同的功能。进气口4通过螺纹密封，可以通过旋转螺纹的方式实现不同的通气方式，旋转在铅铋液面以上气体通入覆盖气体中实现反应，旋转到液面以下将气体鼓入铅铋中可以加快反应速度。出气/出液口5与法兰盘10之间是螺纹密封，通过旋转螺纹可以使出气/出液口5升降，实验中旋转螺纹使其在铅铋液面以上作为出气口用来排出反应气体，通过旋转螺纹的方式远离铅铋液面，以保证通入的混合气体充分反应，尽快实现化学反应平衡，实验后可以旋转螺纹使出气/出液口5处于液面以下作为铅铋出液口，通过装置内覆盖气体压力将液态铅铋排空。密封法兰2通过无氧铜密封圈来密封热电偶8和测氧仪7，在热电偶8与测氧仪7出现状况的时候能够实现拆卸替换。实验前，法兰10密封罐体，测氧仪7、热电偶8、搅拌器1、出气/出液口5提升在固态铅铋上面。实验时，铅铋处于加热熔化状态，气体通过进气口4进入到反应罐中或鼓入到铅铋中，通过出气/出液口5排出尾气，测氧仪7和热电偶8一起通过第二波纹管9的压缩插入到液态铅铋中进行氧浓度和温度的测量。为了实现不同流速的反应，可以通过第一波纹管3的压缩，使搅拌器1伸入到液态铅铋中不同深度或更换不同类型叶片搅动液态铅铋来实现不同的流速流场控制反应的进行。实验后，待铅铋固化之前，通过第二波纹管9的拉伸将测氧仪7和热电偶8提升到铅铋液面之上，通过第一波纹管3的拉伸将搅拌器1提升到铅铋液面之上，通过螺纹旋转使进气口4提升到铅铋液面之上。若要排空铅铋，则将出气/出液口5螺纹旋转至铅铋底端，通过向进气口4鼓入气体，将铅铋从出气/出液口5排出，全部流入到指定的容器。最后切断进气口的气源，完成整个实验操作。

如图2所示，为搅拌器1的叶片结构示意图，叶片主要由十字形的金属片和上端一段带外螺纹的金属杆组成。搅拌器1的金属连杆下端有一段与叶片外螺纹吻合的内螺纹，叶片与金属连杆通过内外螺纹的契合连接到一起。搅拌器1的电机通过带动金属连杆的旋转带动叶片的旋转，旋转方向与螺纹的旋转方向一致。具有不同长度和宽度金属片的叶片在电机带动下会产生不同的流速和流场，通过更换不同外形结构的叶片可以实现不同流速和流场下的氧控实验。

Claims (4)

1.一种适用于实现氧控反应的实验装置，包括测氧仪(7)、热电偶(8)，其特征在于还包括搅拌器(1)、连接件(6)、第一波纹管(3)、第二波纹管(9)、密封法兰(2)、进气口(4)和出气/出液口(5)；所述搅拌器(1)通过第一波纹管(3)连接到法兰盘(10)上；搅拌器(1)由电机、金属连杆和叶片组成，金属连杆与叶片连接，电机通过金属连杆带动叶片实现对液态铅铋的搅动，通过第一波纹管(3)的伸缩能够控制叶片深入到铅铋液面下的位置，实现改变液态铅铋流场分布的实验；所述测氧仪(7)和热电偶(8)通过连接件(6)固定在一起，测氧仪(7)通过第二波纹管(9)连接密封到法兰盘(10)上，第二波纹管(9)的伸缩带动测氧仪(7)和热电偶(8)的上下移动，实现测氧仪(7)和热电偶(8)的升降及在液态铅铋中插入的深度，用来测量不同铅铋液面深度下的氧浓度和温度分布；所述密封法兰(2)用来密封热电偶(8)和测氧仪(7)；所述进气口(4)和出气/出液口(5)分别以螺纹的方式密封安装在法兰盘(10)上，通过螺纹旋转控制进气口(4)和出气/出液口(5)的升降深度，实现不同的功能。

2.根据权利要求1所述的一种适用于实现氧控反应的实验装置，其特征在于：所述搅拌器(1)的金属连杆和叶片之间通过螺纹连接，方便拆卸安装，通过更换不同尺寸的叶片来实现不同速度和流场分布的氧控实验。

3.根据权利要求1所述的一种适用于实现氧控反应的实验装置，其特征在于：所述进气口(4)通过螺纹密封，通过旋转螺纹的方式实现不同的通气方式，旋转螺纹使进气口(4)位于铅铋液面以上，进气口(4)将气体通入覆盖气体中实现反应，旋转螺纹使进气口(4)位于铅铋液面以下，进气口(4)将气体鼓入铅铋中可以加快反应速度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于实现氧控反应的实验装置，其特征在于：所述出气/出液口(5)与法兰盘(10)之间是螺纹密封，通过旋转螺纹能够实现出气/出液口(5)的升降，氧控实验中旋转螺纹使出气/出液口(5)位于铅铋液面以上，出气/出液口(5)作为出气口用来排出反应气体，可以通过旋转螺纹的方式使出气/出液口(5)远离铅铋液面，以保证通入的混合气体充分反应，尽快实现化学反应平衡；氧控实验后可以旋转螺纹使出气/出液口(5)位于铅铋液面以下，出气/出液口(5)作为铅铋出液口，通过气体压力将液态铅铋排空。