首頁(yè) >> 公司動(dòng)態(tài) >> 【新品上市】核電領(lǐng)域?qū)Ｓ门P式力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)問(wèn)世
隨著全球核能發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)際上將核電站的發(fā)展分為四代。第一代核電站，是指上世紀(jì)50、60年代初期開發(fā)的核電站。第二代核電站，是指從60年代后期到90年代前期進(jìn)一步開發(fā)和建造的發(fā)電功率達(dá)30萬(wàn)千瓦的大型商用核 電站。第三代核電站，是從上世紀(jì)90年代中后期到2010年開始運(yùn)行的具有更高安全指標(biāo)的先進(jìn)核電站。正在開發(fā)中的第四代核電站，具有經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、產(chǎn)生廢物少、核資源可持續(xù)、核擴(kuò)散可防止等優(yōu)點(diǎn)。其中鉛基反應(yīng)堆（LFR）由于其突出的優(yōu)點(diǎn)成為第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)具有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N堆型之一。鉛基反應(yīng)堆使用鉛或者鉛鉍共晶合金（LBE）作為冷卻劑材料，且最早在前蘇聯(lián)開發(fā)用于阿爾法級(jí)核潛艇，但由于LBE是一種腐蝕材料，結(jié)構(gòu)鋼材在LBE環(huán)境會(huì)發(fā)生液態(tài)金屬腐蝕（LMC）和液態(tài)金屬脆化（LME），LMC和LME以及氧濃度成為影響鉛基反應(yīng)堆性能的關(guān)鍵問(wèn)題。因此為了研究液態(tài)鉛鉍環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性，亟需開發(fā)一種可模擬不同氧濃度高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境的力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。
圖1 一到四代核反應(yīng)堆發(fā)展及代表堆型
氧控方案
液態(tài)LBE控氧技術(shù)主要包括氣態(tài)控氧和固態(tài)控氧，其中氣態(tài)控氧技術(shù)又分為兩種。如圖2所示，第一種是將Ar/H2還原性混合氣體或Ar/O2氧化性混合氣體通入液態(tài)LBE內(nèi)部或覆蓋在表面，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)氧濃度的控制。如圖3所示，另一種氣態(tài)控氧方式為在液態(tài)LBE表面通入Ar/H2/H2O三元混合氣體，通過(guò)控制H2和H2O的組分比例來(lái)使液態(tài)LBE氧濃度達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定。第一種氣態(tài)控氧方式控氧速率較快，但是控氧精度較差且容易失控，第一種氣態(tài)控氧方式可以獲得穩(wěn)定的氧濃度且波動(dòng)較小，但時(shí)控氧時(shí)間較長(zhǎng)。
圖2 第一種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線
圖3 第二種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線
氧傳感器及氧濃度測(cè)量原理
氧傳感器是氧控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，要求其在低濃度的氧含量范圍內(nèi)準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地測(cè)量，同時(shí)具有長(zhǎng)期的運(yùn)行穩(wěn)定性。用于液態(tài)金屬中溶解氧的電化學(xué)氧傳感器利用了固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)體性質(zhì)，可以用于測(cè)量極低的氧含量。目前，一般采用氧化鋯基固體電解質(zhì)為主要材料，利用電化學(xué)濃差式電池原理制作氧傳感器。其原理如圖4所示，根據(jù) Nernst原理，當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)兩端有氧濃度梯度時(shí)，氧離子會(huì)從高濃度的一側(cè)穿過(guò)固態(tài)電解質(zhì)到低濃度的一側(cè)，于是會(huì)在固態(tài)電解質(zhì)的陰陽(yáng)兩極之間形成一個(gè)可以反映兩邊氧濃度差值的電動(dòng)勢(shì)（EMF）。在一定的溫度下，這個(gè)EMF的理論值可以通過(guò)公式算出：
E為理論電動(dòng)勢(shì)EMF，單位為V；R=8.31441J/(mol·K)，為理想氣體常數(shù)；F=96484.6C/mol，為法拉第常數(shù)；T為溫度，單位是K；PO2,ref為參比電極氧分壓；PO2是被測(cè)介質(zhì)中的氧分壓。在一定的溫度下，參比電極中的氧分壓是一定的，那么被測(cè)介質(zhì)中的氧分壓就可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)E的值獲得。
圖4 氧傳感器原理圖
根據(jù)參比電極的不同類型，可將氧傳感器分為兩種，一種是金屬-空氣氧傳感器，如Pt-空氣氧傳感器，另一種是金屬-金屬氧化物傳感器如Bi-Bi2O3、Cu-CuO2氧傳感器。國(guó)內(nèi)外均有多家機(jī)構(gòu)研發(fā)了LBE氧傳感器，考慮到金屬-空氣參比電極傳感器需要和空氣連通，電解質(zhì)破裂可能會(huì)造成回路泄漏，優(yōu)先開發(fā)金屬-金屬氧化物參比電極氧傳感器。且Bi-Bi2O3在應(yīng)用溫度范圍、準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面綜合性能優(yōu)異，基于以上原因，優(yōu)先開發(fā) Bi-Bi2O3參比電極傳感器。
自行設(shè)計(jì)的Bi-Bi2O3氧傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5-a所示，實(shí)物圖如圖5-b所示，圖6為不同溫度下氧傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果誤差穩(wěn)定在2mV以內(nèi)。
圖5 Bi-Bi2O3型氧傳感器結(jié)構(gòu)圖
(1) BNC 接頭；(2) 密封法蘭；(3) 氟膠圈；(4) 密封陶瓷片；(5) 螺紋壓緊件；(6) 錐形環(huán)；(7) 散熱片；(8) CF法蘭；(9) 氧化鋁陶瓷管；(10) 電極引線；(11) YSZ陶瓷錐管
圖6 不同溫度下氧傳感器穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果
(a) 500 ℃；(b) 450 ℃；(c) 400 ℃；(d) 350 ℃
試驗(yàn)裝置
主要構(gòu)成包括：凱爾測(cè)控力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)（臥式/立式），高溫液態(tài)LBE儲(chǔ)液系統(tǒng)，高溫液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔，氧控系統(tǒng)，高溫引伸計(jì)（臥式）/LVDT位移傳感器（立式），保溫系統(tǒng)以及支撐臺(tái)架。其中凱爾測(cè)控力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)為測(cè)試主體，最大載荷50kN，最大試驗(yàn)頻率15Hz。高溫液態(tài)LBE儲(chǔ)液系統(tǒng)儲(chǔ)液溫度可達(dá)550℃，最大儲(chǔ)液量15L，可進(jìn)行液態(tài)鉛鉍氧濃度的預(yù)控制。高溫液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔單次試驗(yàn)僅需1.5L液態(tài)鉛鉍，氧控系統(tǒng)包含氧傳感器及配套氣瓶以及控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精確控氧氣，誤差可控制在2mV以內(nèi)。根據(jù)氧濃度需求，高溫液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔可分為氧飽和液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔體、貧氧液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔以及控氧液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔體。保溫系統(tǒng)控溫550℃及以上，溫差±1℃，隔熱效果良好。
高溫引伸計(jì)/LVDT位移傳感器可在550℃氧飽和液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)環(huán)境下使用，精度達(dá)到0.002mm，且配套有特制的固定移動(dòng)裝置，圖7為高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境臥式單軸疲勞試驗(yàn)系機(jī)結(jié)構(gòu)圖，展示了高溫引伸計(jì)的安裝方式及安裝實(shí)物圖。貧氧液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔以及控氧液態(tài)鉛鉍試驗(yàn)腔體通過(guò)數(shù)字圖像技術(shù)（DIC）進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。
臥式試驗(yàn)裝置方便裝夾高溫引伸計(jì)且節(jié)省鉛鉍，立式試驗(yàn)裝置節(jié)省占地面積，集成度較高，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)臥式或立式結(jié)構(gòu)。
圖7高溫液態(tài)金屬環(huán)境臥式單軸疲勞試驗(yàn)系機(jī)結(jié)
(a) 主機(jī)結(jié)構(gòu)；(b) 引伸計(jì)安裝示意圖；(c) 引伸計(jì)安裝實(shí)物圖
參考文獻(xiàn)
[1]Rivai A K , Kumagai T , Takahashi M . Performance of oxygen sensor in lead-bismuth at high temperature[J]. Progress in Nuclear Energy, 2008, 50(2-6):575-581.
[2]秦博,付曉剛,馬浩然,等.鉛鉍合金氣相氧含量控制初步實(shí)驗(yàn)研究[J].材料導(dǎo)報(bào), 2019, 33(11):4.DOI:CNKI:SUN:CLDB.0.2019-11-010.
凱爾測(cè)控公司介紹
凱爾測(cè)控是一家專業(yè)從事開發(fā)、生產(chǎn)、銷售各類力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，自2008年成立以來(lái)一直致力于發(fā)展新的測(cè)試方法。先后與清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院金屬所、中國(guó)工程物理研究院等國(guó)內(nèi)著名高校、科研院所建立密切合作，持續(xù)在航空、航天、核電等關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與投入。公司擁有各類力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)四個(gè)系列四十余個(gè)品種，主導(dǎo)產(chǎn)品電磁式疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)、原位力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、原位雙軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、拉扭多軸疲勞試驗(yàn)機(jī)等測(cè)試系統(tǒng)打破國(guó)外設(shè)備的壟斷。憑借著過(guò)硬的技術(shù)、性能優(yōu)良的產(chǎn)品和專業(yè)妥善的服務(wù)，凱爾測(cè)控贏得了眾多用戶的信賴。
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