國內(nèi)外鉛鉍氧控研究現(xiàn)狀

李君瑜，周立軍(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

0 引言

從污染控制，防止腐蝕的角度出發(fā)，鉛鉍合金氧含量的控制是鉛鉍合金冷卻劑反應(yīng)堆裝置的關(guān)鍵問題之一。在低于450 ℃溫度下，腐蝕率是相對較低的，在該溫度范圍內(nèi)短時使用不銹鋼材料的效果是令人滿意的。然而，低溫運行是以犧牲熱效率為代價，這將直接影響反應(yīng)堆和鉛鉍試驗裝置的運行經(jīng)濟效益。長時間運行的鉛鉍合金回路裝置則需要氧控系統(tǒng)避免回路的腐蝕影響回路的使用壽命。

對液態(tài)鉛鉍合金中的氧濃度的控制技術(shù)，按照目前的研究狀況劃分，主要有三大類：氣態(tài)氧控技術(shù)、氧泵、固態(tài)氧控技術(shù)。

1 氣態(tài)氧控

氣態(tài)氧控技術(shù)是目前國際上開展最多的液態(tài)鉛鉍合金控氧技術(shù)。它通過直接向液態(tài)鉛鉍合金惰性載帶氣(Ar或He)中注入O2/H2或者調(diào)解覆蓋氣體的氧分壓(O2/H2)，從而使得鉛鉍合金中氧化物與氣體之間達到某種平衡來實現(xiàn)氧的控制。國內(nèi)外通過對鉛鉍合金氣態(tài)氧控技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，氣態(tài)氧控技術(shù)存在反應(yīng)速度慢，響應(yīng)延遲高，不易精確控制，氣體的存在對裝置密封要求高等問題。氣態(tài)氧控技術(shù)方案原理如圖1所示。

圖1 氣態(tài)氧控技術(shù)原理示意圖

1.1 氧泵

如圖2所示。氧泵技術(shù)也可用于液態(tài)鉛鉍合金的氧濃度控制，氧泵系統(tǒng)主要由氧泵、氧傳感器、PID控制器和電源組成。利用電化學(xué)原理，通過對電池兩極之間施加確定大小和方向的電壓，控制氧離子進入鉛鉍合金或從鉛鉍合金中釋放。氧泵技術(shù)目前還處于初步研究階段，其研發(fā)規(guī)模較小，且僅在靜態(tài)的環(huán)境中進行研制，因此氧泵技術(shù)在大型鉛鉍試驗回路和鉛鉍反應(yīng)堆中應(yīng)用的可靠性有待進一步論證[1]。

圖2 氧泵原理示意圖

1.2 固態(tài)氧控

如圖3所示。固態(tài)氧控技術(shù)是通過氧控部件來實現(xiàn)，氧控部件內(nèi)裝有鉛氧化物顆粒，氧控部件安裝在鉛鉍試驗回路或鉛鉍快堆上，通過調(diào)節(jié)鉛鉍合金流經(jīng)氧控部件內(nèi)鉛的氧化物顆粒的溫度、速度和時長來控制鉛的氧化物的溶解和析出，從而調(diào)節(jié)鉛鉍合金的氧濃度。采用鉛的氧化物作為固態(tài)氧控的介質(zhì)不會向鉛鉍合金引入新的物質(zhì)，同時固液兩相交換，其反應(yīng)速度快，響應(yīng)快，提升了補氧速率。

圖3 固態(tài)氧控技術(shù)原理示意圖

2 鉛鉍氧控技術(shù)國外研究現(xiàn)狀

目前國際上，針對氧控技術(shù)研究實現(xiàn)許多突破性成果，德國、意大利、法國、俄羅斯、美國等歐美國家在這方面走在前列。

2.1 德國，卡爾斯魯厄理工學(xué)院(THESYS)

THESYS裝置的研究內(nèi)容是：(1)完善和優(yōu)化了自行研發(fā)的氣態(tài)氧控系統(tǒng)；(2)開發(fā)了熱工水力測量技術(shù)；(3)開展了傳熱和紊流試驗。

THESYS裝置的技術(shù)參數(shù)是：最高溫度：550 ℃；最大流速：3.5 m3/h；鉛鉍容量：100 L。

2.2 意大利，ENEA(CHEOPE)

CHEOPE裝置的研究內(nèi)容是：(1)研究材料在高氧濃度鉛鉍合金中的腐蝕行為； (2)研制測試關(guān)鍵部件(氧控、氧傳感器)；(3)研究了介質(zhì)的物理化學(xué)參數(shù)；(4)開展了鉛鉍合金熱工水力試驗。CHEOPE裝置如圖4所示。

圖4 CHEOPE裝置照片

2.3 法國，CEA(STELLA)

STELLA裝置的研究內(nèi)容是：(1)研究了鉛鉍合金化學(xué)工藝參數(shù)的監(jiān)測及控制；(2)驗證了氧傳感器的可靠性；(3)通過固態(tài)氧控技術(shù)研究開發(fā)氧控工藝及參數(shù)指標(biāo)；(4)研發(fā)了在線取樣的技術(shù)。

STELLA裝置的技術(shù)參數(shù)是：最高溫度：550 ℃；最大流速：1 m3/h；鉛鉍容量：32 L。試驗裝置包括試驗容器、試驗段、離心泵、冷卻器、流量計和閥門等。

2.4 俄羅斯，IPPE(SM-2)

SM-2裝置的研究內(nèi)容是：(1)驗證鉛的氧化物與鉛鉍合金的氧離子交換控制技術(shù)；(2)驗證了鉛鉍氧控和氧傳感器的連鎖設(shè)計。

2.5 美國，LANL(DELTA)

DELTA裝置的建造目的是：(1)開展動態(tài)鉛鉍合金回路中結(jié)構(gòu)材料和經(jīng)過處理的材料的腐蝕試驗；(2)鉛鉍合金材料相互作用的機理；(3)腐蝕/沉積模型的研究和基準(zhǔn)分析；(4)大型鉛鉍合金回路中氧傳感器和氣態(tài)氧控系統(tǒng)的試驗及改進；(5)部件、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的研發(fā)及測試。

DELTA裝置的技術(shù)參數(shù)是：最高溫度：550 ℃；最低溫度：400 ℃；氧控系統(tǒng)：氣態(tài)氧控；氧傳感器：鉛鉍合金中4個，氣相中1個；最大流速：5 m/s；電功率：65 kW。試驗裝置包括熱交換器、緩沖罐、主加熱器、試驗段等。

上述僅列舉部分國家具有代表性的回路裝置。此外，像歐洲的捷克、比利時、瑞典和瑞士，亞洲的日本和韓國也建造了鉛鉍合金的相關(guān)裝置，并開展了大量研究工作。

3 鉛鉍氧控技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)鉛鉍合金氧控研究起步較晚，鉛鉍合金相關(guān)研究主要集中在物性參數(shù)、腐蝕機理、熱工水力相關(guān)領(lǐng)域。

3.1 中國科學(xué)院

中科院核能安全技術(shù)研究所團隊建造了麒麟(KYLIN)系列鉛鉍合金試驗臺架，麒麟系列鉛鉍合金試驗臺架主要用于攻克鉛基冷卻研究反應(yīng)堆(CLEAR)中的關(guān)鍵技術(shù)。

KYLIN II試驗裝置的研究內(nèi)容：(1)開展液態(tài)鉛鉍合金與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的腐蝕及應(yīng)力相關(guān)試驗研究；(2)開展鉛鉍合金凈化相關(guān)研究；(3)開展鉛鉍合金氣相氧控和固相氧控相關(guān)試驗研究。

KYLIN II試驗裝置的技術(shù)參數(shù)：最高溫度：800 ℃；最低溫度：350 ℃；最高流速：6 m/s。KYLIN II材料試驗回路的主題結(jié)構(gòu)呈8字型，分為高溫段和低溫段。主加熱器安裝在高溫段起始，主冷卻器安裝在低溫段起始。試驗裝置主要由主冷卻器，電磁泵，換熱器，氧控箱，主加熱器，試驗段等設(shè)備和裝置組成。

3.2 中核集團

中國原子能科學(xué)研究院已建成鉛鉍合金綜合試驗裝置(TCTL)，該裝置是國內(nèi)較早規(guī)劃建造的鉛鉍合金試驗回路，該裝置的研究內(nèi)容是：(1)開展了鉛鉍合金熱工水力實驗；(2)開展了動態(tài)腐蝕試驗及工藝研究；(3)研究了氧濃度的測量和控制；(4)研究突發(fā)事故情況下，鉛鉍裝置響應(yīng)及危害的控制和緩解[2]。該裝置的技術(shù)參數(shù)是：最高運行溫度：500 ℃；試驗段流速：1 m/s；最高流速：6 m/s；功率：500 kW；最高壓力：0.3 MPa；回路構(gòu)件主要材料：316 L。該裝置(TCTL)主要包括換熱器、試驗段、電磁泵、電磁閥、電磁流量計等設(shè)備和儀表組成。還有配套的真空系統(tǒng)、覆蓋氣體系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、氣體處理系統(tǒng)、數(shù)采和控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。

3.3 華北電力大學(xué)

華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院針對鉛鉍合金固態(tài)氧控技術(shù)和氧傳感器性能開展相關(guān)研究，該裝置的研究內(nèi)容是：(1)研究氧傳感器的性能及校準(zhǔn)；(2)研究液態(tài)鉛鉍合金固態(tài)氧控試驗參數(shù)。

該試驗裝置的技術(shù)參數(shù)是：最高運行溫度：500 ℃；系統(tǒng)流量1.2 m3/h。該試驗裝置包括：試驗容器、真空泵、冷卻系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器、氧傳感器、質(zhì)量流量計等設(shè)備和儀表。

3.4 西安交通大學(xué)

西安交通大學(xué)針對鉛鉍合金的物性參數(shù)和流體力學(xué)特性建造了一個試驗臺架。該試驗太假的研究內(nèi)容是：(1)研究鉛鉍合金的傳熱特性；(2)研究了鉛鉍合金的流體力學(xué)特性(CFD)[3]。

該裝置的技術(shù)參數(shù)是：運行溫度：573 ℃；質(zhì)量流量：0.8 m/s；試驗段長度：1.6 m；試驗段內(nèi)徑：35 mm；熱流密度：20 000～50 000 W/m2。實驗裝置包括儲鉛罐、鉛鉍合金閥門、電磁流量計、電磁泵、試驗段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、液位計、壓力計、溫度傳感器等設(shè)備和儀表。

4 結(jié)語

綜上所述，目前國際上氣相氧控的研究更為廣泛，但同時我們也要深刻認識到氣相氧控有響應(yīng)慢，控制難，密封要求高等的缺點，氣相氧控是否能應(yīng)用于鉛鉍快堆和ADS值得思考。固相氧控技術(shù)則有其先天優(yōu)勢，不會引入新的雜質(zhì)，響應(yīng)快，設(shè)計簡單。固相氧控技術(shù)在俄羅斯研究較多，國內(nèi)相關(guān)研究較少，從公開文獻中所能獲取的資料幾乎沒有。但是由于其有較明顯優(yōu)點，因此未來發(fā)展前景更為廣闊，需及時開展針對固相氧控技術(shù)的相關(guān)研究工作。