铅铋合金的固态氧控研究

发布时间：2020-07-31 15:51

【摘要】：加速器驱动次临界系统(ADS)被认为是能够有效嬗变核电厂乏燃料的途径之一。液态铅铋合金(LBE)是ADS系统中散裂靶和次临界堆冷却剂的首选材料,但与结构材料的相容性严重限制了 LBE的应用。研究表明一定浓度的溶解氧可以抑制LBE对结构材料的腐蚀,但前提是实现对LBE中氧浓度的精确控制。因此,液态LBE中的氧控技术成为研究热点之一。基于这一研究背景,本文工作开展了利用固态氧化铅(PbO)陶瓷球在液态LBE中的溶解和析出实现氧浓度控制(即固态氧控)的研究。氧浓度的精确探测、PbO陶瓷球的制备以及质量交换器的设计是固态氧控技术的关键,本工作在这三方面进行了理论和实验的探索。设计和开发了 Bi/Bi2O3、Cu/Cu2O两型氧传感器,并进行了性能测试和校准,其中Bi/Bi2O3、Cu/Cu2O两型氧传感器在响应速度、可重复性上表现出较好性能;Bi/Bi2O3型氧传感器被用LBE的固态氧控技术试验。开发了微波烧结PbO陶瓷球技术,并对PbO陶瓷球进行了致密度、硬度、强度等机械性能测试。结果表明,利用微波烧结技术制备的PbO颗粒在机械性能方面较传统烧结技术更优异,为固态氧控技术提供了优质的氧源。利用此技术制备的PbO陶瓷球被用于LBE的固态氧控实验和冲蚀作用数值模拟的验证实验,并在LBE的溶解和冲蚀作用下保持了结构完整性。提出了 LBE的固态氧控中PbO的消耗不仅来自LBE的溶解作用,还应当考虑LBE对PbO陶瓷球的冲蚀作用。建立了球床模型,用数值模拟的方法分别研究了液态LBE对PbO陶瓷球的溶解作用和冲蚀作用。设计并完成了独立验证试验,将液态LBE对PbO陶瓷球的冲蚀作用从复杂的溶解-冲蚀交互作用中独立出来进行研究。数值模拟结果分别在溶解作用和冲蚀作用方面与实验结果一致,但与溶解-冲蚀交互作用方面与实验结果符合不好。证明了液态LBE对PbO陶瓷球的溶解作用和冲蚀作用并不是简单的叠加关系。设计了质量交换器,用于罐式液态LBE系统的固态氧控实验。在同一平台上分别进行了固态氧控实验与气态氧控实验。实验对比结果显示出固态氧控技术在控氧效率和清洁方面的优越性。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL343
【图文】：

１．１．３铅铋快中子反应堆逡逑铅基快中子堆（ＬＦＲ）被“第四代核能系统国际论坛（ＧＩＦ）”组织评为有逡逑望首个实现工业示范和商业应用的第四代核裂变反应堆［１５，１６］，其原理如图１－２逡逑所示。ＬＦＲ以液态铅或者铅yU合金（ｌｅａｄ－ｂｉｓｍｕｔｈ邋ｅｙｔｅｃｔｉｃ，ＬＢＥ）为反应堆冷逡逑却剂，可在常压高温下运行，并有着固有安全性和非能动安全性１１７＿２２］。作为未逡逑来先进核能的主力堆型，铅基反应堆可应用于发电、低温制氢、海水淡化、民逡逑用放射性同位素等工业生产的多个领域［１８，２３，２４］，从而能推动清洁能源的发展。逡逑２逡逑

仩逡逑－变逡逑图１－１邋ＡＤＳ示意图（欧洲路线图）［１１］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａｎ邋ＡＤＳ邋（Ｅｕｒｏｐｅ邋ｒｏａｄｍａｐ）逡逑１．１．３铅铋快中子反应堆逡逑铅基快中子堆（ＬＦＲ）被“第四代核能系统国际论坛（ＧＩＦ）”组织评为有逡逑望首个实现工业示范和商业应用的第四代核裂变反应堆［１５，１６］，其原理如图１－２逡逑所示。ＬＦＲ以液态铅或者铅yU合金（ｌｅａｄ－ｂｉｓｍｕｔｈ邋ｅｙｔｅｃｔｉｃ，ＬＢＥ）为反应堆冷逡逑却剂，可在常压高温下运行，并有着固有安全性和非能动安全性１１７＿２２］。作为未逡逑来先进核能的主力堆型，铅基反应堆可应用于发电、低温制氢、海水淡化、民逡逑用放射性同位素等工业生产的多个领域［１８，２３，２４］，从而能推动清洁能源的发展。逡逑２逡逑

第１章绪论逡逑１．２．１逦ＬＢＥ氧浓度测量理论基础逡逑如图１－３所示是一个基本的原电池结构，用于ＬＢＥ氧浓度测量的氧传感器逡逑是基于这一原理而研发的。氧传感器的核心结构为固体电解质，固体电解质材逡逑质一般为氧化钇稳定氧化锆（ＹＳＺ）。固体电解质两侧分别为参比电极和氧浓度逡逑待测的液态ＬＢＥ。参比电极在一定的温度范围，含有大量的的氧离子（０２＿）。逡逑在一定的温度范围内，固体电解质的内部出现氧离子空位。由于液态ＬＢＥ中的逡逑氧浓度与参比电极侧的氧浓度不同，在固体电解质的两侧存在氧离子浓度差，逡逑两侧氧离子开始通过固体电解质的氧离子空位进行扩散，方向为从高浓度侧逐逡逑渐扩散到低浓度侧。带电粒子的转移会产生一个电动势（ＥＭＦ）。ＥＭＦ的大小，逡逑是由氧离子的转移速率决定的，而氧离子转移速率的大小，则间接反映了固体逡逑电解质两侧的氧浓度差。这就是利用氧传感器测量液态ＬＢＥ中氧浓度的基本原逡逑理。逡逑通过热力学计算出液态铅铋合金ＬＢＥ中饱和及非饱和氧浓度下传感器电逡逑动势ＥＭＦ与温度的理论关系式

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 叶奇蓁;;我国核电及核能产业发展前景[J];南方能源建设;2015年04期

2 张敏;王艳青;吴斌;武欣;高胜;黄群英;;静态铅铋中Pt/Air型氧传感器性能初步研究[J];核科学与工程;2015年01期

3 张敏;吴斌;高胜;王艳青;武欣;黄群英;FDS团队;;温度对静态铅铋中氧浓度变化的影响[J];核科学与工程;2014年04期

4 熊伟;;核电重启后我国核电建设前景分析[J];价值工程;2014年34期

5 单祖华;赵云淦;蒲勇;孙浩;时维立;李向宾;;上游带弯头的T型管内混合流动数值模拟的湍流模型评价[J];原子能科学技术;2013年10期

6 王改英;柏云清;高胜;张敏;黄群英;FDS团队;;液态铅铋氧浓度测量技术初步研究[J];核科学与工程;2012年02期

7 李晓东;周文孝;杨东亮;殷书建;;影响特种陶瓷干压成形坯体致密度的因素[J];山东陶瓷;2010年02期

8 许晓平;周洲;;多面体网格在CFD中的应用[J];飞行力学;2009年06期

9 王超;彭超群;王日初;王小峰;余琨;;BeO陶瓷干压成型工艺参数的优化[J];中南大学学报(自然科学版);2009年01期

10 欧阳予;汪达升;;国际核能应用及其前景展望与我国核电的发展[J];华北电力大学学报(自然科学版);2007年05期

相关博士学位论文 前2条

1 王艳青;高温液态铅铋合金氧传感器研制与实验研究[D];中国科学技术大学;2014年

2 张敏;液态铅铋合金气相氧控关键影响因素研究[D];中国科学技术大学;2013年

相关硕士学位论文 前4条

1 赵云淦;液态铅秘合金中固态氧控实验设计与研究[D];华北电力大学;2015年

2 郭雁军;低温烧结8YSZ的微观组织结构及力学性能研究[D];中南大学;2011年

3 王超;BeO陶瓷电子封装材料的成型工艺和烧结助剂的研究[D];中南大学;2009年

4 董刚;材料冲蚀行为及机理研究[D];浙江工业大学;2004年

本文编号：2776688