CN103499983B - 利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了核工程技术领域中的一种利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置及方法。装置包括固态氧化物离子交换器旁路，设置在固态氧化物离子交换器旁路上的固态氧化物离子交换器安装口，设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金入口，设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金出口，盘绕在固态氧化物离子交换器旁路外壁上的旁路换热器和安装在固态氧化物离子交换器旁路内的固态氧化物离子交换器；方法包括分别安装固态氧化物离子交换器和固态氧化物离子交换器旁路，通过调节旁路换热器的冷却功率调节液态铅铋合金的氧浓度。本发明通过控制固态氧化铅调节液态铅铋合金中的氧含量，克服了现有技术存在的不足。
Description
技术领域
本发明属于核工程技术领域，尤其涉及一种利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置及方法。
背景技术
液态铅或铅铋合金(LBE)是加速器驱动的次临界系统（ADS）主要高能散列靶的首选材料和先进反应堆的冷却剂重要候选材料。但其对结构钢材的腐蚀性成为其广泛运用的最大的障碍。目前，氧浓度控制技术普遍被认为是最有效的LBE防腐手段。国际上现有的实验台架几乎全是通过向液态金属中或其表面的覆盖气体中注射低浓度的氧气或氢气来调节LBE中的氧含量，但这种气态氧浓度控制方式存在诸多缺点。通过控制固态氧化铅的溶解和析出来快速调节LBE中的氧含量是一项走在国际前沿的领先技术，固态氧浓度控制技术有着高效的质量交换、快速的氧浓度调节、没有残渣的生成、不需要定时进行清理、不会降低材料热力学性能及完全废除氢气注射系统等诸多优点，相比于气体控制来说具有很大的优越性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置及方法，用于解决现有技术在控制液态铅铋合金中的氧浓度时存在的不足。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置，其特征是所述装置包括：
-固态氧化物离子交换器旁路；
-设置在固态氧化物离子交换器旁路上的固态氧化物离子交换器安装口；
-设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金入口；
-设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金出口；
-盘绕在固态氧化物离子交换器旁路外壁上的旁路换热器；
-安装在固态氧化物离子交换器旁路内的固态氧化物离子交换器。
所述固态氧化物离子交换器安装口设置用于密封安装固态氧化物离子交换器的第一固定法兰。
所述固态氧化物离子交换器包括：
-与所述固态氧化物离子交换器安装口的第一固定法兰相应的第二固定法兰；
-第二固定法兰上固定的螺纹杆；
-安装在螺纹杆上的固定盘；
-用于将固定盘固定在螺纹杆上的第一螺母；
-设置在第一螺母和固定盘之间的第一垫圈；
-安装在固定盘上用于放置氧化铅颗粒的筒体；
-固定盘上设置的用于通过液态铅铋合金且孔径小于氧化铅颗粒粒径的通孔；
-置于筒体内且外径小于筒体内径的活动盘；
-活动盘上设置的用于通过液态铅铋合金且孔径小于氧化铅颗粒粒径的通孔；
-设置在活动盘上的压紧弹簧；
-设置在活动盘和压紧弹簧的伸缩端之间的第二垫圈；
-用于将压紧弹簧的固定端固定在螺纹杆上的第二螺母；
-设置在第二螺母与压紧弹簧固定端之间的第三垫圈。
所述旁路换热器为螺旋换热水管。
所述固态氧化物离子交换器旁路设置用于固定螺旋换热水管的凸钉。
所述液态铅铋合金入口设置用于调节液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路流量的阀门。
一种利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：将固态氧化物离子交换器安装在固态氧化物离子交换器旁路中；
步骤2：将液态铅铋合金入口和液态铅铋合金出口分别接入液态铅铋合金回路中；
步骤3：通过降低旁路换热器的冷却功率增加液态铅铋合金的氧浓度，或者通过提高旁路换热器的冷却功率降低液态铅铋合金的氧浓度。
所述旁路换热器为螺旋换热水管；
所述降低旁路换热器的冷却功率具体是提高螺旋换热水管中的水温和/或减少螺旋换热水管中的水的流量；
所述提高旁路换热器的冷却功率具体是降低螺旋换热水管中的水温和/或增大螺旋换热水管中的水的流量。
所述液态铅铋合金入口设置用于调节液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路流量的阀门；
所述降低旁路换热器的冷却功率还包括调节液态铅铋合金入口的阀门增加液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路的流量。
本发明的有益效果在于：
（1）通过控制固态氧化铅的溶解和析出来快速调节液态铅铋合金中的氧含量，克服了通过注射氧气/氢气调节液态铅铋合金中的氧含量存在的不足；
（2）本发明提供的装置及方法具有氧离子交换效率高，氧浓度调节速度快且没有残渣的生成等特点；
（3）装置中设置的压紧弹簧可以补偿调节氧浓度时造成的氧化铅离子的流失，从而避免氧化铅颗粒在固态氧化物离子交换器中晃动和碰撞；
（4）本发明提供的装置结构简单，安装方便，使用时不影响液态铅铋合金回路的正常运行。
附图说明
图1是本发明提供的利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置的外部结构图；
图2是固态氧化物离子交换器结构图；
图3是固态氧化物离子交换器安装到固态氧化物离子交换器旁路内的示意图；
图4是本发明提供的利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置的工作原理图；
图中，1-固态氧化物离子交换器旁路，2-固态氧化物离子交换器安装口，3-液态铅铋合金入口，4-液态铅铋合金出口，5-旁路换热器，6-固态氧化物离子交换器，7-第一固定法兰，8-第二固定法兰，9-螺纹杆，10-固定盘，11-第一螺母，12-第一垫圈，13-筒体，14-固定盘上的通孔，15-活动盘，16-活动盘上的通孔，17-压缩弹簧，18-第二垫圈，19-第二螺母，20-第三垫圈，21-螺旋换热水管，22-凸钉，23-螺旋换热水管入口，24-螺旋换热水管出口。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明提供的利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置的外部结构图。如图1所示，本发明提供的调节液态铅铋合金中氧浓度的装置包括固态氧化物离子交换器旁路1，设置在固态氧化物离子交换器旁路上的固态氧化物离子交换器安装口2，设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金入口3，设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金出口4，盘绕在固态氧化物离子交换器旁路外壁上的旁路换热器5，安装在固态氧化物离子交换器旁路内的固态氧化物离子交换器6（图1中不可见，具体结构见图2）。
为了将固态氧化物离子交换器6固定在固态氧化物离子交换器旁路内，本实施例在固态氧化物离子交换器安装口2处设置第一固定法兰7。图2是固态氧化物离子交换器结构图，如图2所示，为了将固态氧化物离子交换器6固定在固态氧化物离子交换器旁路内，固态氧化物离子交换器包括与固态氧化物离子交换器安装口的第一固定法兰7相应的第二固定法兰8，第二固定法兰8上固定的螺纹杆9，螺纹杆9上安装固定盘10。固定盘10正中设置可以穿过螺纹杆9的穿孔，固定盘10的穿孔穿过螺纹杆9后，通过第一螺母11固定在螺纹杆9上。为了解决第一螺母11和固定盘10之间支撑面不平的问题且为了增大第一螺母11和固定盘10之间支撑面积，可以在第一螺母11和固定盘10之间设置第一垫圈12。固定盘10上固定安装筒体13，固定盘10和筒体13组成的空间用于放置氧化铅颗粒。固定盘10上设置通孔14，通孔14用于通过液态铅铋合金，并且通孔14的孔径小于氧化铅颗粒粒径，以确保氧化铅颗粒不会从固定盘10漏出。筒体13内设置活动盘15，活动盘15正中设置可以穿过螺纹杆9的穿孔，且活动盘15的外径略小于筒体13的内径，从而使活动盘15可以沿着螺纹杆9在筒体13内移动。活动盘15的外径和筒体13的内径之差，要大于氧化铅颗粒粒径。活动盘15上设置通孔16，通孔16用于通过液态铅铋合金，并且通孔16的孔径小于氧化铅颗粒粒径，以确保氧化铅颗粒不会从活动盘15漏出。活动盘15上设置压缩弹簧17，为了解决压缩弹簧17和活动盘15之间支撑面不平的问题且为了增大压缩弹簧17和活动盘15之间的支撑面积，可以在压缩弹簧17和活动盘15之间设置第二垫圈18。压缩弹簧17与第二垫圈18接触的一端为压缩弹簧17的伸缩端，压缩弹簧17的另一端为固定端。压缩弹簧17的固定端通过第二螺母19固定在螺纹杆9的某个位置。压缩弹簧17的固定端和第二螺母19之间可以设置第三垫圈20。
在本实施例中，旁路换热器可以使用盘绕在固态氧化物离子交换器旁路上的螺旋换热水管21。为了使螺旋换热水管21固定在固态氧化物离子交换器旁路上，可以在固态氧化物离子交换器旁路上设置凸钉22。另外，在固态氧化物离子交换器旁路的液态铅铋合金入口，可以设置用于调节液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路流量的阀门。通常，固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金入口3和液态铅铋合金出口4设置法兰，用于将固态氧化物离子交换器旁路方便地安装到液态铅铋合金回路中。
使用上述装置调节液态铅铋合金中氧浓度方法以及原理是：
步骤1：将固态氧化物离子交换器安装在固态氧化物离子交换器旁路中。
图3是固态氧化物离子交换器安装到固态氧化物离子交换器旁路内的示意图。先将固定盘10固定，再将氧化铅颗粒放入固定盘10和筒体13组成的空间中，然后将活动盘15置于筒体13中，并将压缩弹簧17放置在活动盘15上，接下来旋紧第二螺母19，从而压紧压缩弹簧17。最后，将螺纹杆9置于固态氧化物离子交换器旁路中，将第二固定法兰8和第一固定法兰7封紧。
步骤2：将液态铅铋合金入口和液态铅铋合金出口分别接入液态铅铋合金回路中。
由于固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金入口3和液态铅铋合金出口4设置法兰，因此液态铅铋合金回路中相应位置分别设置与之对应的法兰。这样便于将固态氧化物离子交换器旁路安装到液态铅铋合金回路中，同时不影响整个液态铅铋合金回路的正常运行。通常，液态铅铋合金入口3接入液态铅铋合金回路的高温段，而液态铅铋合金出口4接入液态铅铋合金回路的低温段。
步骤3：通过降低旁路换热器的冷却功率增加液态铅铋合金的氧浓度，或者通过提高旁路换热器的冷却功率降低液态铅铋合金的氧浓度。
如果液态铅铋合金中的氧含量偏低，则需要增加液态铅铋合金的氧浓度，可以通过降低旁路换热器的冷却功率的方式，使液态铅铋合金的温度上升。在本实施例中，由于旁路换热器为螺旋换热水管，因此降低旁路换热器的冷却功率具体是提高螺旋换热水管中的水温和/或减少螺旋换热水管中的水的流量。提高螺旋换热水管中的水温可以通过向螺旋换热水管入口23注入高温度的水实现，减少螺旋换热水管中的水的流量可以通过控制螺旋换热水管入口23水的注入量实现。由于流入固态氧化物离子交换器旁路中的液态铅铋合金的温度上升，因此加速了氧化铅颗粒的溶解，进而增加了液态铅铋合金中氧离子的浓度。同时，由于分解的铅离子可直接溶入液态铅铋合金中，因此这一过程没有杂质产生。另外，在提高螺旋换热水管中的水温和/或减少螺旋换热水管中的水的流量的同时，还可以通过调节液态铅铋合金入口3的阀门增加液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路的流量，将其作为降低旁路换热器的冷却功率的辅助方式。因为增加液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路的流量，也可以加速了氧化铅颗粒的溶解。螺旋换热水管中的水经螺旋换热水管出口24排出。
需要说明的是，当氧化铅颗粒的溶解后，放置在固定盘10和筒体13组成的空间中的氧化铅颗粒的体积会减小，此时紧压的压缩弹簧17会伸长，将活动盘15向筒体13中压入，从而补偿氧化铅流失减少的体积，进而避免剩余的氧化铅颗粒在固态氧化物离子交换器中晃动和碰撞。
如果液态铅铋合金中的氧含量偏高，则需要降低液态铅铋合金的氧浓度，可以通过提高旁路换热器的冷却功率的方式，降低流入固态氧化物离子交换器旁路中的液态铅铋合金的温度。在本实施例中，由于旁路换热器为螺旋换热水管，因此提高旁路换热器的冷却功率具体是降低螺旋换热水管中的水温和/或增加螺旋换热水管中的水的流量。降低螺旋换热水管中的水温可以通过向螺旋换热水管入口23注入更低温度的水（如冷却水）实现，增加螺旋换热水管中的水的流量可以通过控制螺旋换热水管入口23水的注入量实现。由于流入固态氧化物离子交换器旁路中的液态铅铋合金的温度降低，因此液态铅铋合金中的氧化物会析出，从而降低了液态铅铋合金中的氧浓度。通过螺旋换热水管中冷却水的冷却，流经固态氧化物离子交换器旁路的液态铅铋合金处于整个回路的最低温度区，也最先达到氧浓度的饱和。含有饱和浓度氧的液态铅铋合金回到液态铅铋合金回路后，随着温度升高成为非饱和溶液，从而降低氧化物析出的可能性，进而实现液态铅铋合金中的氧含量的控制。本发明提供的装置的工作原理如图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种利用固态氧化铅调节液态铅铋合金中氧浓度的装置，其特征是所述装置包括：
-固态氧化物离子交换器旁路；
-设置在固态氧化物离子交换器旁路上的固态氧化物离子交换器安装口；
-设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金入口；
-设置在固态氧化物离子交换器旁路上的液态铅铋合金出口；
-盘绕在固态氧化物离子交换器旁路外壁上的旁路换热器；
-安装在固态氧化物离子交换器旁路内的固态氧化物离子交换器；
所述固态氧化物离子交换器安装口设置用于密封安装固态氧化物离子交换器的第一固定法兰。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述固态氧化物离子交换器包括：
-与所述固态氧化物离子交换器安装口的第一固定法兰相应的第二固定法兰；
-第二固定法兰上固定的螺纹杆；
-安装在螺纹杆上的固定盘；
-用于将固定盘固定在螺纹杆上的第一螺母；
-设置在第一螺母和固定盘之间的第一垫圈；
-安装在固定盘上用于放置氧化铅颗粒的筒体；
-固定盘上设置的用于通过液态铅铋合金且孔径小于氧化铅颗粒粒径的通孔；
-置于筒体内且外径小于筒体内径的活动盘；
-活动盘上设置的用于通过液态铅铋合金且孔径小于氧化铅颗粒粒径的通 孔；
-设置在活动盘上的压紧弹簧；
-设置在活动盘和压紧弹簧的伸缩端之间的第二垫圈；
-用于将压紧弹簧的固定端固定在螺纹杆上的第二螺母；
-设置在第二螺母与压紧弹簧固定端之间的第三垫圈。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是所述旁路换热器为螺旋换热水管。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述固态氧化物离子交换器旁路设置用于固定螺旋换热水管的凸钉。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述液态铅铋合金入口设置用于调节液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路流量的阀门。
6.一种使用如权利要求1或2所述的装置调节液态铅铋合金中氧浓度的方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：将固态氧化物离子交换器安装在固态氧化物离子交换器旁路中；
步骤2：将液态铅铋合金入口和液态铅铋合金出口分别接入液态铅铋合金回路中；
步骤3：通过降低旁路换热器的冷却功率增加液态铅铋合金的氧浓度，或者通过提高旁路换热器的冷却功率降低液态铅铋合金的氧浓度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述旁路换热器为螺旋换热水管；
所述降低旁路换热器的冷却功率具体是提高螺旋换热水管中的水温和/或减少螺旋换热水管中的水的流量；
所述提高旁路换热器的冷却功率具体是降低螺旋换热水管中的水温和/或增大螺旋换热水管中的水的流量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是所述液态铅铋合金入口设置用于调节液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路流量的阀门；
所述降低旁路换热器的冷却功率还包括调节液态铅铋合金入口的阀门增加液态铅铋合金流入固态氧化物离子交换器旁路的流量。
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