CN211956233U - 一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统 - Google Patents

一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，包括：盛有液态金属冷却剂的容器，安装在所述容器上用于给所述液态金属冷却剂注氧的注氧器，与所述注氧器通信连接用于控制所述注氧器的注氧控制器；安装在所述容器上用于检测液态金属冷却剂中含氧量的氧传感器，安装在所述容器上的工作电极；所述氧传感器与所述注氧控制器通信连接；所述注氧器包括氧化锆陶瓷探头，在所述氧化锆陶瓷探头内设置有用于将氧分子离解成氧离子的催化剂。通过采用催化剂将空气中的氧分子离解成氧离子，在外加电势作用下将氧离子注入液态金属冷却剂中，由于注入氧离子的通量是由外加电势和注氧器探头的活化面积决定，因此注氧速率能更好地被控制，实现优异的氧控效果。

Description

一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统
技术领域
本实用新型涉及核反应堆冷却剂技术领域，尤其涉及一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统。
背景技术
液态金属如铅、铅铋共晶合金或钠冷却快中子反应堆可以进行核燃料增殖，降低核废料的产生，实现核燃料闭式循环，从而大大提高铀资源的利用率，是重点研究的新一代核反应堆技术。其中，液态铅或者铅铋合金冷却快中子反应堆除具备以上优点外，还具有优异的本征核安全性能，近年来获得了广泛关注。但是液态铅或铅铋冷却剂与铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢等结构材料存在液态金属腐蚀问题。液态金属腐蚀依赖于溶解氧含量。当氧含量过高时，钢表面会被氧化形成过厚的氧化膜。对于核燃料包壳而言，氧化膜过厚会阻碍核燃料芯块向包壳外侧冷却剂的传热。过高的氧含量还会使铅被氧化形成流动性很差的氧化铅，导致堆芯冷却流道发生堵塞。如果溶解氧过低，钢表面无法生成致密、连续的保护性氧化膜，使钢基体直接暴露在液态金属环境，从而发生元素选择性溶解腐蚀(如镍)，而溶解腐蚀产物在反应堆冷端析出，不仅会形成放射性很高的污垢，同时还会造成流道堵塞。因此，非常有必要对液态金属中的溶解氧进行控制，使溶解氧处于一个合理范围。
目前主要的控氧方式有气相氧控和固相氧控。气相氧控的基本原理是利用PID控制方法自动控制通入液态金属中的氧化性气体和还原性气体的流量实现控氧目的。当氧含量较高时，通入还原性气体，当氧含量较低时，通入氧化性气体。氧化性气体可以采用一定比例的Ar+O2或Ar+H2O等混合气体，混合气比例和液态金属体积等决定了供氧的灵敏度。还原性气体可以采用纯氢或者一定比例的Ar+H2等混合气体。该方法已在国内外很多液态金属实验回路和装置中得到成功应用。固态氧控的原理是在主回路的旁路上安装很多氧化铅小球，通过调控流经氧化铅小球区域的铅铋流量和温度，从而控制氧化铅小球的分解速率，达到对主回路中溶解氧含量的自动控制。这种方法在俄罗斯的液态铅铋核反应堆中得到了工程应用。但是，上述两种控氧方式无法对溶解氧进行精细调控。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，旨在解决现有技术中对液态金属冷却剂进行控氧时，难以实现溶解氧精细调控的问题。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，包括：盛有液态金属冷却剂的容器，安装在所述容器上用于给所述液态金属冷却剂注氧的注氧器，与所述注氧器通信连接用于控制所述注氧器的注氧控制器；安装在所述容器上用于检测液态金属冷却剂中含氧量的氧传感器，以及安装在所述容器上的工作电极；所述氧传感器与所述注氧控制器通信连接；所述注氧器包括氧化锆陶瓷探头，且在所述氧化锆陶瓷探头内设置有用于将氧分子离解成氧离子的催化剂。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，还包括还原性气体供气装置以及除氧控制器，所述还原性气体供气装置通过管道与所述容器相连，所述管道上设置有模拟量气阀，所述除氧控制器分别与所述模拟量气阀以及所述氧传感器通信连接。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述氧化锆陶瓷为5mol％或者8mol％氧化钇稳定氧化锆固态电解质陶瓷。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述催化剂为纳米铂粉、钴酸锶镧、铁酸锶镧、锰酸锶镧和钴酸锶镧铁中的一种或多种。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述注氧控制器包括电压表以及PID模块，所述电压表与所述氧传感器通信连接，所述PID模块与所述注氧器通信连接。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述除氧控制器包括电压表以及PID模块，所述电压表与所述氧传感器通信连接，所述PID模块与所述模拟量气阀通信连接。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述氧传感器为空气参比电极或者金属参比电极。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述除氧控制器还包括电压手动调节旋钮，通过所述电压手动调节旋钮手动调所述PID模块的输出上限。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，所述容器外侧壁上缠绕有加热丝。
可选地，所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其中，还包括用于记录和显示所述电压表采集的电压值的终端。
有益效果：本实用新型提供一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，系统包括：盛有液态金属冷却剂的容器，安装在所述容器上用于给所述液态金属冷却剂注氧的注氧器，与所述注氧器通信连接用于控制所述注氧器的注氧控制器；安装在所述容器上用于检测液态金属冷却剂中含氧量的氧传感器，以及安装在所述容器上的工作电极；所述氧传感器与所述注氧控制器通信连接；所述注氧器包括氧化锆陶瓷探头，且在所述氧化锆陶瓷探头内设置有用于将氧分子离解成氧离子的催化剂。通过采用催化剂将空气中的氧分子离解成氧离子，由注氧控制器调控注氧探头上的电势，使氧离子注入液态金属冷却剂中，由于注入氧离子的通量是由控制电势和注氧器探头的活化面积决定，因此注氧速率能更好地被控制，并且当活化面积较小时，注氧速率能在很小的范围内进行，有利于将氧浓度控制在极低水平。
附图说明
图1为本实用新型实施例中提供的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统示意图。
图2是本实用新型实施例中所提供的注氧器的结构图。
图3是本实用新型所提供的实施例一的实验结果测试图。
图中编号说明：
1-容器，2-加热丝，3-液态金属冷却剂，4-法兰容器盖，5-氧传感器，6(7)-注氧器，8-工作电极，9-气瓶，10-不锈钢气管，11-模拟量气阀，12-排气口，13-注氧控制器，14-高内阻电压表，15-电压显示表，16-电压手动调节旋钮，17-PID模块，18-电脑和数据采集器；19-除氧控制器，20-电压手动调节旋钮，21-高内阻电压表，22-电压显示表，23-PID模块。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本实用新型所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指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实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，包括：盛有液态金属冷却剂的容器1，安装在所述容器1上用于给所述液态金属冷却剂3注氧的注氧器6(7)，与所述注氧器6(7)通信连接用于控制所述注氧器的注氧控制器13；安装在所述容器1上用于检测液态金属冷却剂中含氧量的氧传感器5，以及安装在所述容器1上的工作电极8；所述氧传感器5与所述注氧控制器13通信连接；所述注氧器6(7)包括氧化锆陶瓷探头，且在所述氧化锆陶瓷探头内设置有用于将氧分子离解成氧离子的催化剂。
在本实施例中，所述容器1上安装有法兰盖4，在所述法兰盖4上安装有注氧器6(7)、氧传感器5、排气孔12以及电极8。通过注氧控制器13调控输出在注氧器6(7)上的电压大小，迫使其氧化锆陶瓷探头内部被催化的氧离子从氧化锆陶瓷探头内侧向外侧的液态金属冷却剂中移动，从而达到向液态金属冷却剂中注氧的目的。由于注入氧离子的通量是由控制电势和注氧器探头的活化面积决定，因此注氧速率能更好地被控制，并且当活化面积较小时，注氧速率能在很小的范围内进行，这样有利于将氧浓度控制在极低水平。
在一些实施方式中，如图2所示，所述注氧器6(7)由YSZ管61和不锈钢密封部件62组成。YSZ管底部就是插入液态金属3中的探头。注氧器6(7)的上端开有两个小孔63，以保证空气能进入探头内部。如果应用在核反应堆，两个小孔需要用密封导管连接到核岛外的空气容器。注氧器6(7)下端的探头内部的催化剂采用纳米铂粉(Pt)、钴酸锶镧(LSC)、铁酸锶镧(LSF)、锰酸锶镧(LSM)、钴酸锶镧铁(LSCF)的一种或是它们任意搭配的混合物。催化剂的目的是将空气中的氧分子离解成氧离子。
可选地，所述氧化锆陶瓷为5mol％或者8mol％氧化钇稳定氧化锆固态电解质陶瓷(简称YSZ)。
可选地，在所述容器的外表面还缠绕设置有加热丝2，可以通过电加热的方式给容器进行加热。
在一些实施方式中，所述液态金属冷却剂中溶解氧控制系统,还包括还原性气体供气装置9，以及除氧控制器19，所述还原性气体供气装置9通过管道10与所述容器1相连，所述管道10上设置有模拟量气阀11，所述除氧控制器13分别与所述模拟量气阀11以及所述氧传感器5通信连接。
具体地，所述还原性气体供气装置9为气瓶。气瓶9中的气体可以是还原性气体Ar+5％H2或者是纯氢，但为了安全，一般采用Ar+5％H2。气瓶9中的气体通过不锈钢气管10导入液态金属3中，目的是降低液态金属3中的溶解氧含量。在不锈钢气管10上还安装模拟量气阀11。通过调控模拟量气阀的流量来控制进入液态金属内的还原性气体的量，从而达到控制去除液态金属3中的溶解氧速度。余气则从排气口12排出。
在一些实施方式中，所述注氧控制器13包括高内阻电压表14、电压显示表15以及PID模块17，所述高内阻电压表14与所述氧传感器5通信连接，所述PID模块17与所述注氧器6(7)通信连接。
在一种实施方式中，液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，还包括用于记录和显示所述电压表采集的电压值的终端。所述终端可以是电脑18。通过在系统中设置电脑可以方便直观的展示调控结果。
具体地，氧传感器5的电压信号被注氧控制器13的高内阻电压表14采集，高内阻电压表14再将采集的电压一方面变送成标准信号传送给PID模块17。同时将采集的电压发送至电脑18中的数据采集器进行数据存储和显示。PID模块17根据目标控氧电位，自动调控输出在注氧器6(7)上的电压大小，迫使其探头内部被催化的氧离子从YSZ探头的内侧向外侧的液态金属3中移动，从而达到向液态金属3中注氧的目的。注氧控制器13上的电压显示表15将PID模块17的输出信号实时显示出来。同时将其发送到电脑18中的数据采集器进行数据存储和显示。
进一步，注氧控制器还包括电压手动调节旋钮16可以手动调节PID模块17的输出上限，防止烧损YSZ探头。
在一些实施方式中，所述除氧控制器19包括高内阻电压表21以及PID模块23，所述高内阻电压表21与所述氧传感器5通信连接，所述PID模块23与所述模拟量气阀11通信连接。
具体地，氧传感器5的电压信号被除氧控制器19上的高内阻电压表21采集，高内阻电压表21再将采集的信号变送成标准信号发送给PID模块23，PID模块23根据目标控氧范围调控模拟量气阀11的流量，从而达到控制去除液态金属3中的溶解氧速度。当溶解氧低于目标值，除氧控制器19让模拟量气阀11关闭，此时注氧控制器13工作，反之亦然。通过注氧控制器与除氧控制器配合使用达到自动控氧目的。
在本实施例中，除氧控制器19上还设有电压显示表22以及电压手动调节旋钮20。电压显示表22可以实时显示PID模块23的输出电压，电压手动调节旋钮20可以设置PID模块23的输出电压上限。
在一些实施方式中，所述氧传感器5为空气参比电极或者金属参比电极。
具体地，氧传感器5可以采用空气参比电极或者金属/金属氧化物参比电极。当采用空气参比电极，氧传感器5的结构跟注氧器6(7)的结构一样；当采用金属/金属氧化物参比电极，氧传感器5的上端不需要开孔，其余结构跟注氧器6(7)一样。氧传感器5以及注氧器6(7)的低电势端均与插入液态金属3中的工作电极8连接。
下面通过具体实施例来对本实用新型所提供的上述系统做进一步的解释说明。
实施例一：
按照图1所示的结构制作控氧装置一台，基本结构和各部件功能已在前面描述。液态金属3为铅铋共晶合金，体积5L，温度428℃。气瓶9中的气体是Ar+5％H2。氧传感器5采用空气参比电极，注氧器6和7的催化剂采用LSC，YSZ管采用5mol％YSZ管，管探头的活化面积约240mm2。先开启模拟量气阀11，将其流量恒定在1.2L/h。在还原性气体作用下溶解氧含量不断降低，氧传感器5的信号则不断升高，当信号对应的氧含量低于目标氧含量3.5x10- 11wt％时，开启注氧控制器13，并设置目标氧含量所对应的电压值。
由图3的结果显示在注氧控制器13的自动调节作用下，溶解氧在4x10-11wt％和3x10-11wt％之间轻微波动。关闭控制器后，溶解氧严重偏离目标值，重新开启控制器后溶解氧向目标值逼近，随后在目标值附近轻微震荡，达到较稳定的控氧效果。
综上所述，本实用新型提供一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，包括：盛有液态金属冷却剂的容器，安装在所述容器上用于给所述液态金属冷却剂注氧的注氧器，与所述注氧器通信连接用于控制所述注氧器的注氧控制器；安装在所述容器上用于检测液态金属冷却剂中含氧量的氧传感器，以及安装在所述容器上的工作电极；所述氧传感器与所述注氧控制器通信连接；所述注氧器包括氧化锆陶瓷探头，且在所述氧化锆陶瓷探头内设置有用于将氧分子离解成氧离子的催化剂。通过采用催化剂将空气中的氧分子离解成氧离子，在活化面积一定的情况下，氧离子的通量取决于施加的电压大小，从而达到给液态金属中注入氧的目的，再结合自动控制通入液态金属中还原性气体(Ar+H2或纯氢等)的流量，实现自动控氧目的。由于注入氧离子的通量是由控制电势和注氧器探头的活化面积决定，因此注氧速率能更好地被控制，并且当活化面积较小时，注氧速率能在很小的范围内进行，这样有利于将氧浓度控制在极低水平。同样地，通过增加注氧器探头数目(即增加活化面积)，有利于增加注氧速率，能将氧浓度控制在较高水平。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，包括：盛有液态金属冷却剂的容器，安装在所述容器上用于给所述液态金属冷却剂注氧的注氧器，与所述注氧器通信连接用于控制所述注氧器的注氧控制器；安装在所述容器上用于检测液态金属冷却剂中含氧量的氧传感器，以及安装在所述容器上的工作电极；所述氧传感器与所述注氧控制器通信连接；所述注氧器包括氧化锆陶瓷探头，且在所述氧化锆陶瓷探头内设置有用于将氧分子离解成氧离子的催化剂。
2.根据权利要求1所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，还包括还原性气体供气装置以及除氧控制器，所述还原性气体供气装置通过管道与所述容器相连，所述管道上设置有模拟量气阀，所述除氧控制器分别与所述模拟量气阀以及所述氧传感器通信连接。
3.根据权利要求1所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，所述注氧控制器包括电压表以及PID模块，所述电压表与所述氧传感器通信连接，所述PID模块与所述注氧器通信连接。
4.根据权利要求2所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，所述除氧控制器包括电压表以及PID模块，所述电压表与所述氧传感器通信连接，所述PID模块与所述模拟量气阀通信连接。
5.根据权利要求1所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，所述氧传感器为空气参比电极或者金属参比电极。
6.根据权利要求4所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，所述除氧控制器还包括电压手动调节旋钮，通过所述电压手动调节旋钮手动调所述PID模块的输出上限。
7.根据权利要求1-6任一所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，所述容器外侧壁上缠绕有加热丝。
8.根据权利要求6所述的液态金属冷却剂中溶解氧控制系统，其特征在于，还包括用于记录和显示所述电压表采集的电压值的终端。
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