CN113884557A - 一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，电化学氧泵的工作原理是在外部施加的直流电动势下，作为阴极的界面上解离产生氧离子，氧离子在电场作用下通过固体氧化物电解质迁移，在阳极界面上转化成氧分子。因此，外部直流电源通过电极丝施加两个不同方向的电动势，驱使氧离子通过固体氧化物电解质向液态铅铋合金中迁移，或驱使液态铅铋合金中的氧离子通过固体氧化物电解质向参比电极迁移，析出氧分子，使液态铅铋合金中氧含量增大或减小，从而达到调节液态铅铋合金氧浓度的目的。

Description

一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵

技术领域

本发明涉及第四代核反应堆铅基冷却剂仪器领域，具体属于一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵。

背景技术

作为第四代反应堆铅基快堆冷却剂和加速器驱动的次临界系统中散裂靶首选材料的液态铅铋合金在高温下对反应堆结构材料具有较强的腐蚀性，而其腐蚀性受氧浓度的影响，氧浓度过低会加速液态铅铋合金对铁基金属材料的腐蚀，氧浓度过高会造成液态铅铋合金本身氧化物的污染。研究表明，不同温度下液态铅铋合金中氧浓度存在一个氧会在铁基金属材料表面形成致密均匀氧化层的区域，而氧化层能够阻止液态铅铋合金对结构钢材的进一步腐蚀。因此控制液态铅铋合金氧浓度对液态铅铋合金的应用是必要的。氧泵的工作原理是在外部外加电势下，氧离子通过固体氧化物电解质进行迁移，通过改变外加电动势的方向，向液态铅铋合金添加氧或从液态铅铋合金去除氧，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。目前国际上用于控制液态铅铋合金氧浓度的方式大多数是气态氧控技术和固态氧控技术，电化学氧泵技术使用较少。而前两种技术使用时存在以下问题：1.气态氧控技术中气体和液态铅铋合金直接接触，具有很大的产生气态放射性废物的潜在性；2.固态氧控技术需要安装固定储备的固体氧化铅颗粒，如果耗尽很难补充，而且此技术只能增加液态铅铋合金的氧浓度，不能降低系统的氧浓度。因此，本发明提供了一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服液态铅铋合金氧浓度控制技术的不足，提供一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，能够精确调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。电化学氧泵控氧技术可以避免气相控制法中气体直接与液态铅铋合金的直接接触；其次避免固体氧化铅控制技术的在线补充氧化铅固体颗粒的困难性，弥补了固体氧化铅技术只能增加氧浓度不能降低氧浓度缺陷性。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案如下：一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，包括直流电源工作段、仪器支撑筒元件和固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件；

所述直流电源工作段有一个直流电源、1号和2号电极丝、电流表、电极丝信号快接头以及其他导线；2号电极丝插入液态铅铋合金内，通过导线与直流电源连接；1号电极丝由内绝缘管包裹，下端裸露部位插入固体氧化物电解质中的参比电极内，上段与电极丝信号快接头接触，快接头通过导线与电流表和直流电源连接，工作时装有参比电极的固体氧化物电解质陶瓷管部位需要插入液态铅铋合金中。

所述仪器支撑筒元件包括带密封法兰的不锈钢外壳、进气管道、内绝缘管、带电极丝信号快接头的绝缘封头；内绝缘管用于包裹电极丝，穿过不锈钢外壳，与固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件接触，电极丝较长于内绝缘管，下端伸入到氧化钇稳定氧化锆陶瓷管内与参比电极充分接触，上端与电极丝信号快接头接触，不锈钢外壳上端由绝缘封头密封；进气管道提供气体的流动通道，并设置了两路进气口。

所述固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件包括氧化钇稳定氧化锆陶瓷管、参比电极、不锈钢卡套接头组成；将一定量的参比电极粉末装入一端封闭的氧化钇稳定氧化锆陶瓷管中，陶瓷管开口的上部由不锈钢卡套接头的一头卡紧；不锈钢卡套接头的另一头焊接在仪器支撑筒元件下端。

其中，所述直流电源、电流表、电极丝信号快接头、插入参比电极中的1号电极丝、参比电极、固体氧化物电解质、液态金属、连接直流电源的2号电极丝利用导线连接起来形成一个闭合回路，需要工作时则2号电极丝和固体氧化物电解质陶瓷管的工作部分应插入液态铅铋合金中。

其中，所述的参比电极起催化作用，将氧分子解离成氧离子，或析出氧分子，参比电极为粉末状，材料为锰酸锶镧（LSM）和锰酸锶镧（LSCF）。

其中，所述1号电极丝和2号电极丝采用的材料为钽。

其中，所述固体氧化物电解质陶瓷管采用底端封闭的管状，长度为150mm，内、外径分别为4mm和6mm。

其中，所述固体氧化物电解质陶瓷材料为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），采用5mol%氧化钇稳定氧化锆。

其中，所述可变直流电源能够在固体氧化物电解质分解电压阈值内调节施加电动势的值，也能轻易实现改变电极丝极性。

其中，所述不锈钢卡套接头和卡套卡紧固体氧化物电解质陶瓷管，能够避免工作时通入不锈钢外壳内的气体泄漏到液态铅铋合金中造成氧化物污染。

其中，所述1号电极丝在不锈钢外壳内的部分使用内绝缘管包裹，能够避免与不锈钢外壳接触造成短路，使氧泵失效。

其中，所述进气管道能够一路设置带氧气的载气气体通道和隔离阀，另一路设置纯惰性气体的气体通道和隔离阀，加氧时打开带氧气的载气气体通道的隔离阀；降氧时打开纯惰性气体的气体通道的隔离阀；并且能够在固体氧化物电解质陶瓷管破裂时，切断带氧气的载气气源，避免氧气污染液态铅铋合金，打开纯惰性气体气源保持质氧泵元件正压状态，防止放射性气体及其他物质泄漏。

本发明与现有技术相比具有的优势如下：

在本发明中氧泵采用外电势驱动氧离子输运的方式，相比气态氧控技术，能够避免气体直接与液态铅铋合金接触，相比固态氧控技术，不需要在线补充氧化铅固态颗粒，并且弥补了其不能降氧的短板。

在本发明中，氧泵的不锈钢外壳设置了用于固定的密封法兰，能够很方便地调整氧泵的安装位置，有利于调整冷却剂系统不同位置不同温度下液态铅铋合金的氧浓度。

在本发明中氧泵的进气管道设置了两个进气口，除了能够设置载气氧源外还能够设置高纯惰性气体，用于防止固体氧化物电解质陶瓷管破裂时放射性物质外泄的安全风险。

附图说明

图1为本发明中电化学氧泵原理示意图；图2位本发明结构示意图；

其中：不锈钢外壳1、绝缘封头2、电极丝信号快接头3、密封法兰4、不锈钢卡套本体5、不锈钢卡套前部管箍6、不锈钢卡套后部管箍7、不锈钢卡套螺母8、内绝缘管9、1号电极丝10、参比电极11、固体氧化物电解质陶瓷管(YSZ)12、连接导线13、电流表14、连接导线15、可编程直流电源16、连接导线17、2号电极丝18、进入管道19、两路进气口20。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，能够精确调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。

如图1所示，在本发明实施例中，电化学氧泵工作原理是通过外加电场控制电化学电解池中氧离子的迁移，调节固体氧化物电解质两侧的阴极、阳极的氧浓度，从而达到调节液态铅铋合金中氧浓度的目的。

如图1中的左侧原理图所示，利用电化学氧泵给液态铅铋合金加氧时，直流电源正极与参比电极连通，驱动氧离子从参比电极处通过固体氧化物电解质向液态铅铋合金方向迁移。

如图1中的右侧原理图所示，利用电化学氧泵对铅铋液态合金除氧时，直流电源正极与液态铅铋合金连通，驱动氧离子从液态铅铋合金通过固体氧化物电解质向参比电极侧迁移。

因此，根据电化学氧泵原理，在一定合理的改良下，利用合适的固体电解质和参比电极设计出一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵。从而应用于第四代反应堆铅基快堆冷却剂和加速器驱动的次临界系统中散裂靶液态铅铋合金系统中，能够精确调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。

如图2所示，一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，包括直流电源工作段、仪器支撑筒元件和固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件；

所述直流电源工作段包括一个可编程直流电源16、连接导线17、2号电极丝18、连接导线15、电流表14、连接导线13、电极丝信号快接头3、1号电极丝10；

所述仪器支撑筒元件包括不锈钢外壳1、绝缘封头2、密封法兰4、内绝缘管9、进入管道19、两路进气口20；

0034所述固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件包括氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12、参比电极11、不锈钢卡套本体5、不锈钢卡套前部管箍6、不锈钢卡套后部管箍7、不锈钢卡套螺母8。

连接导线17将2号电极丝18与可编程直流电源16连接；1号电极丝10由内绝缘管包裹9，1号电极丝9在不锈钢外壳内的部分使用内绝缘管包裹，能够避免与不锈钢外壳接触造成短路，使氧泵失效；所述1号电极丝10较长于内绝缘管包裹9，1号电极丝10下端伸长的裸露部分要插入氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12盛装的参比电极11内，1号电极丝10上端与电极丝信号快接头3接触，电极丝信号快接头3通过连接导线13与电流表14连接，电流表14和可编程直流电源16由连接导线15连接。

不锈钢外壳1是电化学氧泵的支撑元件，呈筒状，不锈钢外壳1上端由带电极丝快接头3的绝缘封头2密封，不锈钢外壳1设置了密封法兰4，能够方便地将氧泵安装在液态铅铋合金系统上，并保持系统的密封性，不锈钢外壳1壁面开孔提供进气管道19，进气管道19设置了两路进气口20；所述两路进气口20能够一路设置带氧气的载气气体通道和隔离阀，设置另一路纯惰性气体的气体通道和隔离阀，能够在固体氧化物电解质氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12发生破裂事件时，切断带氧气的载气气源，避免氧气污染液态铅铋合金，并打开纯惰性气体气源保持氧泵支撑筒元件的不锈钢外壳1处于正压状态，防止放射性气体及其他放射性物质泄漏。

所述参比电极11装入一端封闭的氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12中，参比电极11的量一般是装入氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12内高4~10厘米，能够根据具体情况调节装量；不锈钢卡套本体5的前端焊接在仪器支撑筒元件的不锈钢外壳1下端，氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12贯穿不锈钢卡套本体5、不锈钢卡套前部管箍6、不锈钢卡套后部管箍7、不锈钢卡套螺母8；不锈钢卡套前部管箍6被不锈钢卡套后部管箍7紧压在氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12外管壁上，形成完善的密封，不锈钢卡套后部管箍7紧紧卡入氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12外管壁，防止受到来自不锈钢卡套前部管箍6的反作用力时发生脱落，不锈钢卡套螺母8顶住不锈钢卡套后部管箍7与不锈钢卡套本体5的后端配合连接。

如图2所示，所述电化学氧泵正常工作时，需要将2号电极丝18和氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12插入液态铅铋合金中，则液态铅铋合金将与2号电极丝18、连接导线17、可编程直流电源16、连接导线15、电流表14、连接导线13、电极丝信号快接头3、1号电极丝10、参比电极11、固体氧化物电解质氧化钇稳定氧化锆陶瓷管12形成一个闭合回路，调节可编程直流电源的输出方向和输出电动势即可工作。

综上所述，本发明一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，避免了气相控制法中气体直接与液态铅铋合金的直接接触问题；避免了固体氧化铅控制技术的在线补充氧化铅固体颗粒的困难性，并弥补了固体氧化铅技术只能增加氧浓度不能降低氧浓度缺陷性，能够精确调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。

以上所述仅是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润湿，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.本发明公开了一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，包括直流电源工作段、仪器支撑筒元件和固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件；

所述直流电源工作段有一个直流电源、两个电极丝和电流表、电极丝信号快接头及其他导线；所述直流电源工作段的导线将2号电极丝、直流电源、电流表、电极丝信号快接头、1号电极丝连接起来；所述2号电极丝直接插入液态铅铋合金中；所述1号电极丝插入参比电极中，工作时装有参比电极的固体氧化物电解质陶瓷管的部分应插入液态铅铋合金中；

所述仪器支撑筒元件包括带密封法兰的不锈钢外壳、进气管道、内绝缘管、带电极丝信号快接头的绝缘封头；所述电化学氧泵仪器支撑筒元件中间贯通，内绝缘管套住的1号电极丝从不锈钢外壳上端向下贯穿直到插入固体氧化物电解质陶瓷元件内，下端裸露部分与参比电极接触，上端与电极丝信号快接头接触；所述不锈钢外壳上端由绝缘封头密封；所述进气管能够设置两路气源；

所述固体氧化物电解质陶瓷氧泵元件包括氧化钇稳定氧化锆陶瓷管、参比电极、不锈钢卡套接头；所述氧化钇稳定氧化锆陶瓷管装有一定量的参比电极，并由不锈钢卡套接头一头卡紧；所述不锈钢卡套接头另一头与仪器支撑筒元件下端焊接连接；所述氧化钇稳定氧化锆陶瓷管与不锈钢卡套接头之间能够保持良好的密封性。

2.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，直流电源、电流表、电极丝快接头、插入参比电极中的1号电极丝、参比电极、固体氧化物电解质、液态金属、2号电极丝利用导线连接起来能够形成一个闭合回路，需要工作时则2号电极丝和固体氧化物电解质陶瓷管的工作部分应插入液态铅铋合金中。

3.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，参比电极起催化作用，将氧分子解离成氧离子，或析出氧分子，参比电极为粉末状，材料为锰酸锶镧(LSM)和锰酸锶镧(LSCF)。

4.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，1号电极丝和2号电极丝采用的材料为钽。

5.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，固体氧化物电解质陶瓷管采用底端封闭的管状，长度为150mm，内、外径分别为4mm和6mm。

6.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，固体氧化物电解质陶瓷材料为氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，采用5mol％氧化钇稳定氧化锆。

7.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，在工作电压一定时，通过改变装入固体氧化物电解质陶瓷管内的参比电极的量，改变参比电极和1号电极丝、固体氧化物电解质的接触催化面积，即改变固体氧化物电解质的氧通量。

8.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，在参比电极和固体氧化物电解质接触面积一定下，通过在固体氧化物电解质分解电势阈值内电动势调节施加电动势的大小，调节穿过固体氧化物电解质的氧通量，实现精确控制氧浓度变化的速度。

9.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，可变直流电源能够在固体氧化物电解质分解电压阈值内调节施加电动势的值，也能轻易实现改变电极丝极性。

10.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，1号电极丝在不锈钢外壳内的部位使用内绝缘管包裹，避免与不锈钢外壳接触造成短路，使氧泵失效。

11.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，氧泵进气口有两个进气通道，一路设置带氧气的载气气体通道和隔离阀，另一路设置纯惰性气体的气体通道和隔离阀；加氧时打开带氧气的载气气体通道的隔离阀；降氧时打开纯惰性气体的气体通道的隔离阀；并且能够在固体氧化物电解质陶瓷管破裂时，切断带氧气的载气气源，避免氧气污染液态铅铋合金，打开纯惰性气体气源保持质氧泵元件的正压状态，防止放射性气体及其他物质泄漏。

12.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，支撑筒元件的密封法兰能够在具体安装位置设置另一面密封法兰进行配合安装，安装位置比较灵活。

13.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，当液态铅铋合金需要增加加氧时，直流电源正极连接内绝缘管包裹的1号电极丝、负极连接2号电极丝施加外电动势，驱动参比电极解离的氧离子穿过固体氧化物电解质进入液态铅铋合金中，达到增加液态铅铋合金中溶解氧的目的。

14.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，当需要降低液态铅铋合金中氧浓度时，直流电源正极连接2号电极丝、负极连接1号电极丝施加外电动势，驱动液态铅铋合金中的氧离子穿过固体氧化物电解质在参比电极析出氧分子，被载气带走，达到降低液态铅铋合金中氧浓度的目的。

15.根据权利要求1所述的所述一种调节液态铅铋合金氧浓度的电化学氧泵，其特征在于，利用不锈钢卡套接头卡紧固体氧化物电解质陶瓷管的方式能够避免工作时通入不锈钢外壳内的气体泄漏到液态铅铋合金中造成氧化物污染。

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