CN115354271A - 用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法，系统包括：气相氧控单元和预氧化箱；其中，预氧化箱为设有入口法兰的密闭结构，该预氧化箱设有加热内壁；预氧化箱内设有液态铅铋合金，用于装入预氧化的燃料棒组件；气相氧控单元设有氧传感器和多气体供气管，该多气体供气管与预氧化箱内连通，能根据氧传感器测得的预氧化箱内的氧浓度信号，控制多气体供气管向预氧化箱内供应对应类型的气体。该系统可用于任何铅/铅铋冷却反应堆，适用性广，能有效减缓材料在流体铅/铅铋环境下所受的腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及核能技术领域，尤其涉及一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法。
背景技术
作为第四代核能系统国际论坛(GIF)选定的六个反应堆概念之一，铅基冷快堆(LFR)由于其能源供应系统具备良好的可持续性、经济性、安全性和防核扩散性等优点，且池式结构设计容易做到小型模块化、操作简单等特点可以方便应用于多场景，近年来我国正大力推进其设计研发。
铅铋合金(LBE)具有出色的中子物理性能、高热传输性能、常压下的低熔点(125℃)和高沸点(1653.85℃)等特点，是快堆冷却剂的优选。铅铋快堆拥有良好的热工安全性，高沸点降低了堆芯空泡的可能性，发生两相流的概率几乎无零；铅铋冷却剂热膨胀性能好，良好的自然循环特性可使反应堆具备突出的非能动安全特点，铅铋快堆具有显著的安全运行优势。
然而铅铋快堆作为一种液态金属堆，具有较强的化学腐蚀环境，对燃料棒包壳材料在高温铅铋合金中的腐蚀问题是制约铅铋反应堆发展的关键问题之一。氧控技术被认为有望解决铅冷快堆的腐蚀问题。但受制于包壳材料在高温铅铋下的氧化动力学特性，若直接将裸露的燃料棒投入核电站运行，将会导致核电站在运行初期面临氧耗尽的状态，氧耗尽状态会加速流体金属对燃料棒包壳材料的腐蚀，同时会增加氧控系统的负担，不利于反应堆安全运行。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法，既能减缓燃料组件腐蚀，又能减轻反应堆内氧控系统负担，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，包括：
气相氧控单元和预氧化箱；其中，
所述预氧化箱为设有入口法兰的密闭结构，该预氧化箱设有加热内壁；
所述预氧化箱内设有液态铅铋合金，用于装入预氧化的燃料棒组件；
所述气相氧控单元设有氧传感器和多气体供气管，该多气体供气管与所述预氧化箱内连通，能根据氧传感器测得的所述预氧化箱内的氧浓度信号，控制多气体供气管向所述预氧化箱内供应对应类型的气体。
一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的方法，采用本发明所述的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，包括以下步骤：
通过所述系统的气相氧控单元向预氧化箱内进入氧气，当预氧化箱中的氧浓度达到目标浓度后，通过入口法兰插入燃料棒组件，使燃料棒组件的包壳材料与所述预氧化箱中溶解预定氧浓度的液态铅铋合金接触，发生氧化反应，生成氧化膜；
生成氧化膜过程中，通过气相氧控单元控制预氧化箱内的氧气浓度，直至燃料棒组件的包壳表面生成足够氧化膜；
待燃料棒组件的包壳表面生成足够氧化膜后，取出洗净即完成燃料棒组件的预氧化处理，能投入核电站使用。
与现有技术相比，本发明所提供的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法，其有益效果包括：
通过气相氧控单元与预氧化箱配合，能对燃料棒组件的包壳材料进行预氧化形成氧化膜，进而提升燃料棒组件的使用寿命，有效避免了包壳材料在氧化初期的高耗氧状态，从而减轻反应堆氧控系统的负担，同时还能防止因缺氧而导致的腐蚀加速现象；预氧化箱内的液态铅铋合金为准静止流体，可有效避免因流动冲刷而导致的氧化膜剥落现象，另外本发明采用的气相氧控单元相比固相氧控性价比更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统的构成示意图。
图中附图标记含义为：1-气相氧控单元；11-氧传感器；12-水箱；13-氩气瓶；14-氧气瓶；15-氢气瓶-；16-第一电控阀；17-第二电控阀；18-第三电控阀；19-多气体供气管；191-第一出气支管；192-第二出气支管；110-第一支管；111-第二支管；2-预氧化箱；3-燃料棒组件。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，包括：
气相氧控单元1和预氧化箱2；其中，
所述预氧化箱2为密闭结构，该预氧化箱2设有加热内壁；
所述预氧化箱2内设有液态铅铋合金，用于装入预氧化的燃料棒组件3；
所述气相氧控单元1设有氧传感器和多气体供气管，该多气体供气管与所述预氧化箱2内连通，能根据氧传感器测得的所述预氧化箱2内的氧浓度信号，控制多气体供气管向所述预氧化箱2内供应对应类型的气体。
上述系统中，所述气相氧控单元1包括：
所述氧传感器11、水箱12、氩气瓶13、氧气瓶14、氢气瓶15、第一电控阀16、第二电控阀17、第三电控阀18和控制装置；其中，
所述氧传感器11设置于所述预氧化箱2内，能测量所述预氧化箱2内氧浓度得到氧浓度信号；
所述水箱12能去除气体中的杂质；
所述氩气瓶13、氧气瓶14和氢气瓶15的出气管均通过设置第三电控阀18的多气体供气管与所述预氧化箱2内连接；
所述第三电控阀后端的多气体供气管通过设有第一电控阀16的第一支管连接至水箱12内的水体中；
所述第三电控阀前端的多气体供气管通过设有第二电控阀17的第二支管连接至水箱12内的水体上方空间中；
所述控制装置，分别与氧传感器11、第一电控阀16、第二电控阀17和第三电控阀18电气连接，能根据氧传感器11测得的所述预氧化箱2内的氧浓度信号，控制多气体供气管的第三电控阀18和第一支管上的第一电控阀16、第二支管上的第二电控阀17向所述预氧化箱2内供应氧气或混合气体，所述混合气体为氢气和氩气的混合气体。该控制装置可根据需要采用自动控制装置或手动控制装置，如手动控制装置成本较低，而自动控制装置虽然成本相对较高，但自动化程度较高。
上述系统中，所述气相氧控单元1的多气体供气管的前端分别设有第一出气支管和第二出气支管；两根出气管同时通气能够提高传质面积，加快气体和液态铅铋合金之间的传质速度。
所述第一出气支管连接至所述预氧化箱2内的液态铅铋合金内，以鼓气泡的方式出气，从而与液态铅铋合金进行传质；
所述第二出气支管连接至所述预氧化箱2内的液态铅铋合金的上方空间内，以覆盖气体的方式与液态铅铋合金进行传质。
参见图1，一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的方法，采用上述的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，包括以下步骤：
通过所述系统的气相氧控单元1向预氧化箱2内进入氧气，当预氧化箱中的氧浓度达到目标浓度后，通过入口法兰插入燃料棒组件，使燃料棒组件的包壳材料(包壳材料为钢材料)与所述预氧化箱中溶解一定氧浓度的液态铅铋合金接触，发生氧化反应，生成氧化膜；
生成氧化膜过程中，通过气相氧控单元1控制预氧化箱2内的氧气浓度，直至燃料棒组件的包壳表面生成预定厚度的氧化膜；满足预定厚度的为4～6微米厚，优选为5微米厚，这样厚度的氧化膜能满足燃料棒组件的包壳表面耐腐蚀的要求。
待燃料棒组件的包壳表面生成足够氧化膜后，取出洗净即完成燃料棒组件的预氧化处理，能投入核反应堆使用。
上述方法中，按以下方式在生成氧化膜过程中，通过气相氧控单元1控制预氧化箱2内的氧气浓度，包括：
当气相氧控单元1的氧传感器反馈的氧浓度信号显示氧浓度低于目标氧浓度时，通过气相氧控单元1向预氧化箱2内通入氧气补充由于燃料棒组件的包壳材料氧化而消耗的液态铅铋合金中的氧浓度；
当气相氧控单元1的氧传感器反馈的氧浓度信号显示氧浓度高于目标氧浓度时，通过气相氧控单元1向预氧化箱2内通入氢气和氩气的混合气体还原液态铅铋合金中多余的氧气，降低氧浓度。
综上可见，本发明实施例的系统，克服了当前核反应堆氧控技术的不足，能对燃料棒组件进行预氧化形成氧化膜，再投入核反应堆使用，既能减缓燃料棒组件腐蚀又能减轻核反应堆内氧控系统负担。该系统有效避免了钢材料在氧化初期的高耗氧状态，从而减轻反应堆氧控系统的负担，同时还能防止因缺氧而导致的腐蚀加速现象；预氧化箱内液态铅铋合金为准静止流体，可有效避免因流动冲刷而导致的氧化膜剥落现象。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统及方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种有效减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统。包括：气相氧控单元1和预氧化箱2；其中，
预氧化箱2为密闭结构，其内设置静止状态的液态铅铋合金，该预氧化箱2的内壁面同时也是加热面，能保证箱内液态铅铋合金维持在目标温度；
气相氧控单元1包括：氧传感器11、水箱12、氩气瓶13、氧气瓶14、氢气瓶15、第一电控阀16、第二电控阀17、第三电控阀18、多气体供气管19、第一支管111和第二支管112；能向预氧化箱内供应氧气，以及氩气和氢气的混合气体；
这种气相氧控单元1配合氧传感器，保证预氧化箱2内液态铅铋合金中的氧维持在目标浓度。
使用上述系统对燃料棒组件3进行预氧化时，当预氧化箱中的氧浓度达到目标浓度后，插入燃料棒组件3，使得燃料棒组件3的包壳材料于溶解了氧形成的预定氧浓度的液态铅铋合金接触，发生氧化反应，使燃料棒组件的包壳充分氧化，在表面生成致密规整的氧化膜，当氧传感器反馈信号显示氧浓度低于目标氧浓度时，通过气相氧控单元1向预氧化箱内通入氧气以补充由于包壳材料氧化而消耗的液态铅铋合金中的氧浓度，防止氧耗尽；当氧传感器反馈信号显示氧浓度高于目标氧浓度时，通过气相氧控单元1向预氧化箱内通入氢气和氩气的混合气体以还原液态铅铋合金中多余的氧，待燃料棒组件3的包壳表面生成足够氧化膜后，即氧化膜达到一定厚度后取出，取出洗净表面的冷却剂残留物即可投入核电站的核反应堆使用。
综上可见，本发明实施例系统减少燃料组件腐蚀和氧控系统负担的机理如下：燃料棒组件3的包壳材料在高温液态铅铋合金中的氧化动力学遵循抛物线速率定律，这意味着包壳材料在初期的氧化反应速度最快，相应的耗氧最高。因此，若直接将燃料棒组件投入核电站的核反应堆使用，可能会使核反应堆在运行初期面临氧耗尽的现象，并增加核反应堆氧控系统的负担。而本发明的系统则能有效避免包壳材料的高耗氧阶段，从根本上减少燃料组件腐蚀和氧控系统负担。本发明的系统可用于任何铅/铅铋冷却反应堆，适用性广，能有效减缓材料在流体铅/铅铋环境下所受的腐蚀。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，其特征在于，包括：
气相氧控单元(1)和预氧化箱(2)；其中，
所述预氧化箱(2)为设有入口法兰的密闭结构，该预氧化箱(2)设有加热内壁；
所述预氧化箱(2)内设有液态铅铋合金，用于装入预氧化的燃料棒组件(3)；
所述气相氧控单元(1)设有氧传感器和多气体供气管，该多气体供气管与所述预氧化箱(2)内连通，能根据氧传感器测得的所述预氧化箱(2)内的氧浓度信号，控制多气体供气管向所述预氧化箱(2)内供应对应类型的气体。
2.根据权利要求1所述的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，其特征在于，所述气相氧控单元(1)包括：
所述氧传感器(11)、水箱(12)、氩气瓶(13)、氧气瓶(14)、氢气瓶(15)、第一电控阀(16)、第二电控阀(17)、第三电控阀(18)和控制装置；其中，
所述氧传感器(11)设置于所述预氧化箱(2)内，能测量所述预氧化箱(2)内氧浓度得到氧浓度信号；
所述氩气瓶(13)、氧气瓶(14)和氢气瓶(15)的出气管均通过设置第三电控阀的多气体供气管与所述预氧化箱(2)内连接；
所述第三电控阀后端的多气体供气管通过设有第一电控阀的第一支管连接至水箱(12)内的水体中；
所述第三电控阀前端的多气体供气管通过设有第二电控阀的第二支管连接至水箱(12)内的水体上方空间中；
所述控制装置，分别与氧传感器(11)、第一电控阀(16)、第二电控阀(17)和第三电控阀(18)电气连接，能根据氧传感器(11)测得的所述预氧化箱(2)内的氧浓度信号，控制多气体供气管的第三电控阀(18)和第一支管()上的第一电控阀(16)、第二支管()上的第二电控阀(17)向所述预氧化箱(2)内供应氧气或混合气体，所述混合气体为氢气和氩气的混合气体。
3.根据权利要求1或2所述的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，其特征在于，所述气相氧控单元(1)的多气体供气管的前端分别设有第一出气支管和第二出气支管；
所述第一出气支管连接至所述预氧化箱(2)内的液态铅铋合金内；
所述第二出气支管连接至所述预氧化箱(2)内的液态铅铋合金的上方空间内。
4.一种用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的系统，包括以下步骤：
通过所述系统的气相氧控单元(1)向预氧化箱(2)内进入氧气，当预氧化箱中的氧浓度达到目标浓度后，通过入口法兰插入燃料棒组件，使燃料棒组件的包壳材料与所述预氧化箱中溶解一定氧浓度的液态铅铋合金接触，发生氧化反应，生成氧化膜；
生成氧化膜过程中，通过气相氧控单元(1)控制预氧化箱(2)内的氧气浓度，直至燃料棒组件的包壳表面生成预定厚度的氧化膜；
待燃料棒组件的包壳表面生成足够氧化膜后，取出洗净即完成燃料棒组件的预氧化处理，能投入核反应堆使用。
5.根据权利要求1所述的用于减缓铅冷快堆燃料组件棒束包壳腐蚀的方法，其特征在于，按以下方式在生成氧化膜过程中，通过气相氧控单元(1)控制预氧化箱(2)内的氧气浓度，包括：
当气相氧控单元(1)的氧传感器反馈的氧浓度信号显示氧浓度低于目标氧浓度时，通过气相氧控单元(1)向预氧化箱(2)内通入氧气补充由于燃料棒组件的包壳材料氧化而消耗的液态铅铋合金中的氧浓度；
当气相氧控单元(1)的氧传感器反馈的氧浓度信号显示氧浓度高于目标氧浓度时，通过气相氧控单元(1)向预氧化箱(2)内通入氢气和氩气的混合气体还原液态铅铋合金中多余的氧气，降低氧浓度。
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