[发明专利]一种液态金属冷却剂中溶解氧控制系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明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。

本发明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。