CN105556614B - 一种液态金属冷却核反应堆，该反应堆中的氧气热力学活度的监测系统及氧气热力学活度的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核动力学，并可在含铅的液态金属冷却剂发电站中，尤其是在快中子反应堆中使用。所提供的具有设置在反应堆壳体的“热的”和“冷的”区域内的连续运行的氧气热力学活度传感器的核反应堆、监测冷却剂中氧气的热力学活度的方法和系统以及附加的定期运行的传感器能够对在任何规定的运行模式下的液态金属冷却剂中氧气的热力学活度是否维持在规定的数值进行持续监测。

Description

一种液态金属冷却核反应堆，该反应堆中的氧气热力学活度 的监测系统及氧气热力学活度的监测方法

发明所涉及的技术领域

本发明涉及核动力学，并可在含铅的液态金属冷却发电站中，尤其是在快中子反应堆中使用，在所述快中子反应堆的第一回路中使用的液态重金属冷却剂(ТЖМТ)为44.5％Pb和55.5％Bi的共晶合金和铅。

所述液态重金属冷却剂的特点为其对结构材料具有非常高的腐蚀性。

因此，在使用含铅的液态金属冷却剂时出现的主要技术问题是：

-要保证与含铅的液态金属冷却剂接触的结构材料的耐腐蚀性；

-要保证冷却剂本身以及循环回路设备内表面的必要的清洁度(避免装置的个别区域出现渣化)。

同时，溶解在液态重金属冷却剂中的氧气浓度对与液态重金属冷却剂接触的管道和设备表面的腐蚀行为有显著影响。

由于铅和铋对氧气的亲和性要比铁和铬低，所以在与含有溶解氧的铅或铅铋的熔体接触的钢的表面上形成了非常薄的(1-10微米)，与基体结合良好的，结实的氧化膜。由于存在这种氧化膜，所以结构材料的耐腐蚀性显著增强。

因此，目前氧气钝化(缓蚀)表面是保护与液态重金属冷却剂接触的结构材料的主要方法，该方法包括在材料的表面形成并维持氧化膜。

由于氧化膜的性质，冷却剂中氧气的热力学活度水平在很大程度上决定了在装置运行过程中的氧化膜的状态。

当溶解到冷却剂(铅，铅铋)中的氧气浓度降低到临界值以下时将不会对结构钢提供可靠的防腐蚀保护。

另一方面，在冷却剂中存在显著量的氧气也不好，因为这会导致在冷却剂中积累了超出允许量的固体氧化物。

所有这些都要求持续监测在任何规定的运行模式下的冷却剂中的氧气热力学活度是否维持在规定的数值。

背景技术

已知一种核动力装置，其包括液态金属冷却核反应堆，蒸汽发生器，循环泵及液态金属冷却剂状态监测系统，所述核反应堆的壳体具有设置在冷却剂水平线下的堆芯，所述监测是通过使用一个浸没在冷却剂内并连接有测量部件的控制元件对氧气热力学活度进行持续测量来实现的。[马丁诺夫П.Н.,阿斯哈杜林Р.Ш.,西马科夫А.А.等人.《铅铋(铅)的冷却剂和核动力装置回路表面状态的自动化的预测监控和控制系统的创建》，第三次行业间科学实践会议论文集《核工艺中液态重金属冷却剂》。奥布宁斯克，2008年9月15-19日，共二卷。奥布宁斯克：国家科学中心俄罗斯联邦物理能源大学，2010年，第一卷，128-136页]

但是，由于无法了解到在回路的不同部位及在不同操作模式下的氧气热力学活度的真实数值，所以所得的数据并不总是客观的，这会导致核装置回路的“冷的”部分中氧化相的渣化和结晶，及“热的”区域中结构材料内表面的保护性氧化层的破坏。

因此，为了保证循环液体金属冷却核装置运行的安全和可靠性，一定要将冷却剂中的氧气热力学活度维持在一定水平，因此要对这个参数进行可靠且准确的监测。

除此之外，改变所有核装置的运行模式(改变功率，冷却剂的流量)是获取关于氧气热力学活度与温度的关系的操作信息的通常做法，这是非常不合适的。

发明内容

本发明的技术任务是保证在液态金属冷却剂中氧气热力学活度状态监测的可靠性并能在任何规定的核装置运行模式下维持其状态。

本发明是技术成果为通过获取连续的准确的关于反应堆通流部分中液态金属冷却剂的物理化学过程的数据而提高反应堆运行的可靠性。

上述技术通过创建一种液态金属冷却核反应堆来实现，其包括装有设置在冷却剂水平线下的堆芯的壳体，蒸汽发生器，循环泵及包含设置在反应堆内与测量部件连接的控制元件的液态金属冷却剂状态监测系统，其中所述监测系统的控制元件为设置在反应堆壳体中间部分和周边部分的，其传感元件位于液态金属冷却剂层中的氧气热力学活度传感器，以及一个设置在液态金属冷却剂水平线上方并能够定期浸入到冷却剂中的附加的氧气热力学活度传感器。

氧气热力学活度传感器的数量可以是不同的，增加其数量会提高测量的准确性。但是，传感器的安装与破坏反应堆壳体的完整性相关，因此，优选地，其传感元件位于液态金属冷却剂层中的氧气热力学活度传感器的数量不少于两个。此时，其中一个传感器位于冷却剂从堆芯排出的区域内的反应堆壳体的“热的”中间部分，而第二个位于壳体周边的“冷的”部分。

由于设置在冷却剂水平线上方的附加的氧气热力学活度传感器是定期运行的，因此其安装有垂直位移机构以使该传感器的传感元件能浸入到冷却剂层中。

优选地，所述附加的氧气热力学活度传感器设置在反应堆壳体中间部分的冷却剂水平线上方。

优选地，使用固体电解质传感器作为所述的氧气热力学活度传感器。

还通过创建一种监测核反应堆内液态金属冷却剂状态的系统来实现本发明的技术成果，其包括设置在反应堆内与测量部件连接的控制元件，所述控制元件为设置在反应堆壳体中间部分和周边部分的，其传感元件位于液态金属冷却剂层中的持续运行的氧气热力学活度传感器，以及一个设置在液态金属冷却剂水平线上方并能够定期浸入到冷却剂中的附加的氧气热力学活度传感器。

优选地，所述的其传感元件位于液态金属冷却剂层中的氧气热力学活度传感器的数量不少于两个。

优选地，所述的设置在冷却剂水平线上方的附加的氧气热力学活度传感器安装有垂直位移机构。

优选地，所述附加的氧气热力学活度传感器设置在反应堆壳体中间部分的冷却剂水平线上方。

优选地，使用固体电解质传感器作为所述的氧气热力学活度传感器。

同时，所述传感器必须能在温度为350-650℃，压力达1.5MPa，热冲击达100℃/秒和冷却剂速度达1.0米/秒条件下并在Pb或Pb-Bi熔体侵蚀反应的条件下可靠地运行。

因此，本发明所使用的氧气热力学活度传感器是基于使用固体氧化物电解质浓差电池的电化学方法运行的。已知一种用于确定不同物质中的氧气含量的类似的传感器，在能源领域、化工业及汽车制造工业中用于监测气体中的氧气，在冶金和半导体技术领域用于监测金属熔体内的氧气。

申请人还申请了一种通过测量冷却剂中氧气热力学活度并将读数传输到测量部件上而监测液态金属冷却核反应堆内氧气热力学活度的方法，其中对在反应堆壳体的中间“热的”部分和周围“冷的”部分的氧气热力学活度进行持续的测量并对在反应堆中间“热的”部分的氧气热力学活度进行额外的定期测量。

对反应堆中间部分的氧气热力学活度进行每月1-2次的额外测量。

附图说明

通过附图解释本发明的内容，其中图1为装有液态金属冷却剂内氧气热力学活度监测系统的核反应堆，而图2为БМ-40А和ОК-550装置内铅铋冷却剂温度与氧气热力学活度传感器(ДАК)读数的关系曲线图。

具体实施方式

液体金属冷却核反应堆具有壳体1，所述壳体装有设置在冷却剂水平线下的堆芯2，在所述堆芯上方设置有防护塞3，所述防护塞带有用于设置传感器的通道4，在反应堆壳体1内还设置有蒸汽发生器5和循环泵6；保护气体位于所述壳体的上方。

监测冷却剂中氧气的热力学活度的系统包括持续运行的氧气热力学活度传感器7，所述传感器安装有传感元件8，所述传感元件设置在防护塞3的通道4内，防护塞位于反应堆壳体1的中间“热的”部分的液态金属冷却剂层中。传感器7连接到唯一的一个测量部件上(图中未显示)。

监测系统的氧气热力学活度传感器9具有一个传感元件10，所述传感元件设置在反应堆壳体1周边“冷的”部分的液态金属冷却剂层中。传感器9连接到唯一的一个测量部件上(图中未显示)。

监测系统的附加的氧气热力学活度传感器11设置在液态金属冷却剂水平线上方并能利用任何一种能达到其目的的垂直位移机构13定期将其传感元件12位移到冷却剂水平线下。传感器11也连接到唯一的一个测量部件上(图中未显示)。

根据每个具体的试验情况确定附加的传感器11测量氧气热力学活度的周期，平均为每个月一到两次。

装有氧气热力学活度监测系统的核反应堆的工作方式以及监测方法的实施方式如下：

在堆芯3内加热的熔化的冷却剂在泵6的压力下进入到蒸汽发生器5，将快速堆芯的热能转给水蒸气。在反应堆运行过程中通过氧气热力学活度传感器7和9测定反应堆壳体1的“热的”和“冷的”区域内氧气热力学活度的数值。测量读数被发送到唯一的一个测量部件上。之后确定氧气热力学活度与温度的关系，并与列表值进行比较，从而能对反应堆中液态金属冷却剂的状态做出结论，例如，冷却剂中是否存在因冷却剂与结构钢发生反应而产生的杂质。

当测量的数值与规定的有偏差时，通过熔解提前加入到回路中，或者通过冷却剂结晶和在过滤器累积而形成的冷却剂成分的氧化物来维持溶解到冷却剂中的氧气的浓度。

总之要持续监测在任何规定的运行模式下的冷却剂中的氧气热力学活度是否维持在规定的数值。

如上所述，在装置的运行过程中冷却剂中氧气热力学活度的值应该在一定范围内，在所述范围内一方面能保证在没有测量的回路的所有区域内的在结构材料表面上的氧化钝化膜的完整性，即其耐腐蚀性，另一方面，避免在反应堆回路元件内表面上生成熔渣沉积物。

在装有循环泵的液态金属冷却核反应堆长期运行的情况下，溶解到冷却剂中的氧气会不断地消耗并与扩散杂质熔融物体积的结构材料的成分(铁，铬)结合，与冷却剂成分相比，所述结构材料的成分对氧气的化学亲和性大。

这会导致溶解氧的浓度水平降低到能开始破坏保护性氧化层的值，这意味着腐蚀会急剧增加。因此，一定要持续监控的熔解到熔体内的氧气热力学活度是含有以铅为基础的液态金属冷却剂的循环回路运行质量的重要参数之一。

根据本发明在持续运行的传感器运行中断或者怀疑其出现故障时用氧气热力学活度11(具有监控和储存功能)进行测量。为了与传感器7和9的读数进行对比或者在传感器7和9出现故障时能够测量氧气热力学活度，要定期进行测量，例如每月1-2次。

综上所述，这提高了核反应堆运行的可靠性及所得关于反应堆流动部分中物理化学过程的数据的准确性。在反应堆壳体“热的”和“冷的”部分内设置有持续运行的氧气热力学活度传感器及附加的定期运行的氧气热力学活度传感器，从而能无需用通常做法中的改变反应堆运行模式来获取运行数据。

使用本发明能提高液态金属冷却核反应堆钢制循环回路的使用寿命，避免形成熔渣沉积物，并提高在回路中所使用的过滤器装置的工作效率。

在图2中提供的铅铋冷却剂温度与氧气热力学活度传感器(ДАК)读数的关系曲线图作为本发明的说明书的附图显示了在不同核装置的铅铋循环回路中氧气热力学活度传感器读数的具体变化。

Claims (12)

1.一种液态金属冷却核反应堆，其包括装有设置在冷却剂水平线下的堆芯的壳体，蒸汽发生器，循环泵及液态金属冷却剂状态监测系统，所述液态金属冷却剂状态监测系统包含设置在反应堆内与测量部件连接的控制元件，其特征在于，所述监测系统的控制元件为氧气热力学活度传感器以及一个附加的氧气热力学活度传感器，所述氧气热力学活度传感器设置在反应堆壳体中间部分和周边部分并且其传感元件位于液态金属冷却剂层中，所述附加的氧气热力学活度传感器设置在液态金属冷却剂水平线上方并能够定期浸入到冷却剂中。

2.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述氧气热力学活度传感器的传感元件位于液态金属冷却剂层中的氧气热力学活度传感器的数量不少于两个。

3.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述的设置在冷却剂水平线上方的附加的氧气热力学活度传感器安装有垂直运动机构。

4.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述的附加的氧气热力学活度传感器设置在反应堆壳体的中间部分。

5.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，使用固体电解质传感器作为所述的氧气热力学活度传感器。

6.一种包含设置在反应堆内与测量部件连接的控制元件的核反应堆内液态金属冷却剂状态的监测系统，其特征在于，所述控制元件为氧气热力学活度传感器以及一个附加的氧气热力学活度传感器，所述氧气热力学活度传感器分别设置在反应堆壳体中间部分和周边部分并且其传感元件位于液态金属冷却剂层中，所述附加的氧气热力学活度传感器设置在液态金属冷却剂水平线上方并能够定期浸入到冷却剂中。

7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述氧气热力学活度传感器的传感元件位于液态金属冷却剂层中的氧气热力学活度传感器的数量不少于两个。

8.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述的设置在冷却剂水平线上方的附加的氧气热力学活度传感器安装有垂直位移机构。

9.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述的附加的氧气热力学活度传感器设置在反应堆壳体的中间部分。

10.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，使用固体电解质传感器作为所述的氧气热力学活度传感器。

11.一种通过测量冷却剂中氧气热力学活度并将读数传输到测量部件上而监测液态金属冷却核反应堆内氧气热力学活度的监测方法，其特征在于，对在反应堆壳体的中间“热的”部分和周边“冷的”部分的氧气热力学活度进行持续的测量并对在反应堆中间“热”的部分的氧气热力学活度进行额外的定期测量。

12.根据权利要求11所述的监测方法，其特征在于，对反应堆中间部分的氧气热力学活度进行每月1-2次的额外测量。