CN104614285A - 一种液态金属中氧迁移速率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属中氧迁移速率测量装置，其由液态金属阀门、液态金属流量计、气液质量交换室、固相氧源质量交换器、液位计、液态金属U型流道、测氧仪等部件组成。它通过每个位置测氧仪探测到的氧浓度变化时间步长与已知宏观扩散自由程，结合该位置相应的氧浓度数值，通过斐克扩散定律获得氧在液态重金属中的质量扩散率与饱和态的演化机制，获得氧迁移速率本发明同步实现静态和流动状态下氧在液态重金属中迁移速率测量及不同流速和温度工况下液态重金属中氧迁移速率的测量。同时气液质量交换器与固液质量交换器集成在同一装置上，通过简单的转换操作即能够实现气液交换反应与固液交换反应切换。

Description

一种液态金属中氧迁移速率测量装置

技术领域

本发明涉及一种液态金属中氧迁移速率测量装置，特别涉及一种用于加速器驱动次临界堆(ADS)中氧控制技术的预研装置，为未来ADS反应堆的氧控技术提供简单易行的研究平台和技术储备。

背景技术

液态铅铋合金LBE(Lead bismuth eutectic)是加速器驱动的次临界***(ADS)中散裂靶的首选材料和先进快堆的冷却剂重要候选材料。由于液态铅铋特殊的热物理性质和化学性质，例如低熔点(123.5℃)，高沸点(1670℃)，高热导率，低蒸汽压并且与空气和水没有剧烈的反应等，液态铅铋目前作为ADS散裂靶和先进快堆的冷却剂在世界范围内广泛研究。

由于铅铋合金特殊的物理化学特性，在ADS***铅铋冷却反应堆商业化应用之前必须深入研究铅铋合金的关键科学问题。液态铅铋高速流动腐蚀会导致材料成分结构变化以至材料性能下降，影响反应堆的安全性和寿命，因此液态铅铋对结构材料的腐蚀是先进核反应堆亟待解决的关键科学问题之一。国际上针对提高材料耐蚀性开展了广泛研究，其中合理控制液态铅铋合金中的氧浓度，以期在结构材料表面生成结构致密、且粘附性强、可阻挡组分元素扩散溶解的氧化层，从而对铅铋堆及靶等结构材料起保护作用以提高材料耐蚀性。合理控制铅铋合金中的氧浓度是影响结构材料在液态铅铋中腐蚀行为的关键科学问题之一。液态铅铋中溶解氧的活性范围控制是目前国际上研究的热点之一，氧浓度过高不仅会造成结构材料的氧化腐蚀，减少使用寿命，也同时也会导致氧化铅杂质的生成，造成主冷却剂铅铋流道的阻塞等影响堆的稳定运行。反之，氧浓度过低也会导致结构材料部分高溶解度的金属元素在液态重金属机械冲刷作用下的溶解，造成结构材料的严重腐蚀，导致管壁减薄而承压等能力下降。因此，铅铋中的氧含量的精确测量与控制是提高结构材料耐蚀性的重要手段，需要开展深入的机理探索和技术研究。

已有的研究主要是基于腐蚀实验的需求，对实验段内的氧浓度控制在合理的范围内即可，没有对大型铅铋装置中整个铅铋***的氧浓度均匀性开展研究。要研究整个铅铋***氧浓度均匀性，需掌握氧在铅铋中的扩散与迁移，本发明正是基于此需求，发明一种液态重金属中氧迁移速率测量装置，为研究大型铅铋装置中整个铅铋***氧浓度均匀性提供理论指导与实验支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种安全性好、且结构简单、便于操作的适用于实现液态重金属中氧迁移速率的实验装置。

本发明采用的技术方案是：一种液态重金属中氧迁移速率测量装置，包括：液态金属阀门、液态金属流量计、气液质量交换室、固相氧源质量交换器、液位计、测氧仪和U型流道；所述气液质量交换室与外界气源(氧源)连通，实现气液交换反应；当气液质量交换器中气氛为惰性气体，将固相氧源质量交换器伸入液态重金属中，实现固液交换反应；反应中氧溶解至液态重金属中扩散后被不同位置测氧仪探测到，结合相应的位置和氧浓度信息，能够推测氧的迁移速率，此装置能够实现气液交换和固液交换反应过程中氧迁移速率的测量。

其中，所述质量交换器第一部分为气液质量交换室通过金属管道及气体阀门与外界气源(氧源)连接，下端与U型流道连通，气相氧源与液态重金属直接反应；另一部分固相氧源质量交换器，上端通过伸缩波纹管与法兰相连，下端同样与U型流道连通，通过调节波纹管实现固相氧源与液态重金属发生质量交换反应。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明的整体结构设计简单，安全性好，易于实现和操作，同时实现气液交换和固液交换反应过程中氧迁移速率的测量，普遍用于液态金属中物质扩散实验研究。

(2)气液质量交换器与固液质量交换器集成在同一装置上，通过简单的转换操作即能够实现气液交换反应与固液交换反应切换。

(3)该装置采用紧密堆积式U型结构设计巧妙的实现了在较小的空间内多点测量获得氧在长距离条件下的迁移与输运，长程内多点测量有利于提高探测氧迁移速率的精度。

附图说明

图1为本发明一种液态金属中氧迁移速率测量装置结构示意图；其中，1为液态金属阀门、2为液态金属流量计、3为气液质量交换室、4为固相氧源质量交换器、5为液位计、6为测氧仪、7为U型流道。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种液态金属中氧迁移速率测量装置，包括液态金属阀门1、液态金属流量计2、气液质量交换室3、固相氧源质量交换器4、液位计5、测氧仪6、U型流道7。首先两端液态金属阀门1和气体阀门关闭，对整个装置进行多次抽真空和氩气置换后，将整个装置充微正压保护(高纯氩气)，通过伴热***将整个装置预热至300℃，缓慢打开液态金属阀门1，将循环***中铅铋部分注入到该装置中，待液位计5探测到液位信号后，关闭液态金属阀门1，将气液质量交换室3中的气体压力调整至一个大气压。气液交换反应时，将气体氧源打开充至气液质量交换室3，压力至两个大气压，监测各测氧仪信号变换，通过数据采集与分析后得到气液交换反应时氧浓度迁移速率。固液交换反应时，气液质量交换室3中的气氛是高纯氩气(惰性气氛)，调节固相氧源质量交换器4上端的波纹管，将固相氧源质量交换器4浸没至液态铅铋中发生固液交换反应，同样监测各测氧仪信号变换，通过数据采集与分析后得到气液交换反应时氧浓度迁移速率。通过调伴热***的温度实现不同温度工况下静态铅铋中氧迁移速率的测量。

铅铋注入该装置后，打开后端的液态金属阀门1，让整个装置内的铅铋，与循环***一起运行，实现流动工况下气液/固液交换反应时氧迁移速率的测量，通过调节液态金属阀门1的开度实现流量的调节，同时控制流入该装置的液态铅铋的温度实现不同温度工况下氧迁移速率的测量。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

且以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，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。

Claims (2)

1.一种液态金属中氧迁移速率测量装置，其特征在于包括：液态金属阀门(1)、液态金属流量计(2)、气液质量交换室(3)、固相氧源质量交换器(4)、液位计(5)、测氧仪(6)和U型流道(7)；所述气液质量交换室(3)与外界气源(氧源)连通，实现气液交换反应；当气液质量交换室(3)中气氛为惰性气体，将固相氧源质量交换器(4)伸入液态重金属中，实现固液交换反应；反应中氧溶解至液态重金属中扩散后被不同位置测氧仪探测到，结合相应的位置和氧浓度信息，能够推测氧的迁移速率，此装置能够实现气液交换和固液交换反应过程中氧迁移速率的测量。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属中氧迁移速率测量装置，其特征在于包括：所述质量交换器第一部分为气液质量交换室(3)通过金属管道及气体阀门与外界气源(氧源)连接，下端与U型流道(7)连通，气相氧源与液态重金属直接反应；另一部分固相氧源质量交换器(4)，上端通过伸缩波纹管与法兰相连，下端同样与U型流道(7)连通，通过调节波纹管实现固相氧源与液态重金属发生质量交换反应。