高溫液態(tài)鉛鉍合金氧傳感器研制與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鉛鉍共晶合金(LBE)因具有良好的熱物理和化學(xué)性質(zhì)等而成為加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)散裂靶和冷卻劑的候選材料，但LBE與結(jié)構(gòu)材料的相容性、氧化物雜質(zhì)生成而堵塞管道等是制約其在核能系統(tǒng)中應(yīng)用的一些關(guān)鍵問(wèn)題。已有研究顯示，LBE中的溶解氧濃度要控制在Fe3O4和PbO生成之間的特定范圍內(nèi)。對(duì)氧濃度的準(zhǔn)確測(cè)量是對(duì)其精確控制的前提，因而氧傳感器是近年來(lái)LBE相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一?；谶@一研究背景，本文開(kāi)展了氧傳感器的研制工作，并對(duì)氧傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性

2、、響應(yīng)性和穩(wěn)定性等性能特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:
　　1.根據(jù)原電池原理，借鑒同類氧傳感器的研究經(jīng)驗(yàn)，先后提出了法蘭式接口和卡套式接口氧傳感器兩個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)為固體電解質(zhì)，組裝了系列Bi/Bi2O3和Pt/air參比電極氧傳感器以作為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，卡套式方案具備組裝工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊和尺寸可調(diào)范圍大等特點(diǎn)。
　　2.在靜態(tài)氧飽和LBE中進(jìn)行了氧傳感器的校準(zhǔn)實(shí)

3、驗(yàn)，結(jié)果表明溫度高于400℃后傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)（EMF）與理論值趨于一致，絕對(duì)誤差在±5mV范圍內(nèi);互校實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分別根據(jù)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)氧傳感器的EMF計(jì)算得出的氧濃度在隨溫度變化的過(guò)程中相互一致;校準(zhǔn)及互校實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明氧傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性能良好。在信號(hào)準(zhǔn)確性影響因素分析中，首次提出了由環(huán)流電流引起的LBE中氧遷移模型，以解釋不同參比電極氧傳感器在LBE中的不同浸沒(méi)深度對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響;在本實(shí)驗(yàn)所采用的特定氣體流量范圍內(nèi)，氣

4、體擾動(dòng)對(duì)氧傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性影響較小。
　　3.分別開(kāi)展了氧傳感器隨鉛鉍溫度、注入氣體組分變化的信號(hào)響應(yīng)性測(cè)試，結(jié)果顯示傳感器隨上述條件的變化均有較快的響應(yīng)性。在信號(hào)響應(yīng)性影響因素分析中，觀察到起始變化的LBE溫度越高、傳感器響應(yīng)越快的現(xiàn)象;首次開(kāi)展了不同YSZ管壁厚實(shí)驗(yàn)，且在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，隨著YSZ管壁厚增大，在升溫過(guò)程中觀察到響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)的現(xiàn)象，在降溫過(guò)程中溫度的變化速率快，與溫度變化對(duì)響應(yīng)性的影響相比，不同壁厚YSZ管中的氧

5、遷移時(shí)間對(duì)響應(yīng)性的影響不明顯。
　　4.Bi/Bi2O3和Pt/air氧傳感器在靜態(tài)氧飽和LBE中均顯示出了較好的信號(hào)穩(wěn)定性;以卡爾斯魯厄理工學(xué)院的氧傳感器為參考，目前自主研制的Pt/air氧傳感器在動(dòng)態(tài)LBE回路中穩(wěn)定可靠工作時(shí)間超過(guò)100h。另外，共存相參比電極與外界的密封性將會(huì)影響參比體系的化學(xué)平衡，進(jìn)而對(duì)氧傳感器的正常穩(wěn)定工作產(chǎn)生影響。SEM和EDX結(jié)果顯示YSZ在480℃、流速0.3m/s、氧濃度10-6wt％的LBE中