液態(tài)金屬中的固態(tài)氧控與相關(guān)問題研究.pdf

1、鉛鉍合金(LBE)是先進(jìn)核反應(yīng)堆冷卻劑的候選材料，同時還可作為加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)的散裂靶材料，為實(shí)現(xiàn)高放射性核廢料的嬗變提供中子源。但是高溫鉛鉍合金對結(jié)構(gòu)材料具有強(qiáng)烈的腐蝕性，在開發(fā)與應(yīng)用鉛鉍合金作為反應(yīng)堆冷卻劑材料和ADS散裂靶材料的時候遇到了嚴(yán)重的問題。研究結(jié)果顯示，多種金屬元素可以在液態(tài)鉛和鉛鉍中發(fā)生溶解，而且金屬在LBE中的溶解度會隨溫度的升高而升高。所以液態(tài)鉛鉍合金對結(jié)構(gòu)材料的腐蝕速率會隨著溫度降低而減小。然而，降低核反應(yīng)堆

2、運(yùn)行溫度就意味著以犧牲核電廠的熱效率為代價，這將直接影響到電力生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，從核電站的經(jīng)濟(jì)角度考慮，低溫運(yùn)行不是最佳方案。研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)鉛鉍合金的氧濃度是影響結(jié)構(gòu)材料腐蝕速率的重要因素，通過動態(tài)控制液態(tài)鉛鉍系統(tǒng)中的溶解氧濃度，可促進(jìn)結(jié)構(gòu)材料表面氧化膜的生成和維持，將腐蝕和溶解控制在最低限度，確保核反應(yīng)堆在使用壽命內(nèi)的安全運(yùn)行。目前，國際上控制液態(tài)金屬中的氧濃度方法主要有兩種:氣態(tài)氧控和固態(tài)氧控。國內(nèi)外關(guān)于控制鉛鉍合金氧濃度的研究

3、大多都是氣態(tài)氧控控制技術(shù)，固態(tài)氧控控制技術(shù)的研究相對較少。特別是國內(nèi)關(guān)于氧控技術(shù)的研究在固態(tài)氧控方面尚屬空白，因此，推進(jìn)國內(nèi)鉛鉍合金應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，開展固相氧控技術(shù)的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究，對推動先進(jìn)快堆和ADS發(fā)展具有重要的意義。
　　首先，在廣泛調(diào)研國際上固態(tài)氧控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，確定研究方案，設(shè)計(jì)和建造罐式液態(tài)鉛鉍合金綜合實(shí)驗(yàn)平臺，并自主制備氧化鉛陶瓷作為固態(tài)氧控系統(tǒng)的補(bǔ)氧劑。以此為基礎(chǔ)，展開鉛鉍合金中固態(tài)氧控及相關(guān)問題的

4、實(shí)驗(yàn)研究。
　　其次，在固態(tài)控氧技術(shù)中，固體氧化鉛的溶解速率是影響調(diào)節(jié)效果的主要因素。通過MATLAB建模對氧控系統(tǒng)中鉛鉍合金與固體氧化鉛之間的質(zhì)量交換過程進(jìn)行模擬，計(jì)算了旁路式質(zhì)量交換器中氧化鉛的溶解速率，與文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行了對比，計(jì)算結(jié)果可以很好得與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。應(yīng)用該模型計(jì)算了不同工況下氧化鉛的溶解速度，總結(jié)規(guī)律發(fā)現(xiàn)氧化鉛的溶解速度隨流體流量增加而線性增加，隨溫度的增加呈指數(shù)規(guī)律增加。
　　最后，在罐式鉛鉍合金綜合實(shí)

5、驗(yàn)平臺上，就鉛鉍合金中氧化鉛的溶解速度、氧濃度的響應(yīng)速度、氧化鉛的中毒現(xiàn)象、氧控條件下結(jié)構(gòu)材料的表面性能等具體問題展開實(shí)驗(yàn)研究。獲得如下結(jié)論:(1)固態(tài)氧控能快速有效地調(diào)節(jié)氧濃度。在435℃的靜態(tài)鉛鉍合金中對比了氣態(tài)氧控和固態(tài)氧控的調(diào)節(jié)氧濃度效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)固態(tài)氧控調(diào)節(jié)時氧濃度響應(yīng)速度快，而且沒有出現(xiàn)過度氧化現(xiàn)象，說明固態(tài)氧控不僅能快速調(diào)節(jié)鉛鉍合金中的氧濃度，還不會污染冷卻劑系統(tǒng)。(2)氧化鉛顆粒性能良好。實(shí)驗(yàn)后的氧化鉛顆粒完整，因流

6、場不均勻溶解程度不一致。但是與文獻(xiàn)相比，在低流速高氧濃度的鉛鉍合金中，氧化鉛顆粒的平均溶解速度明顯高于文獻(xiàn)中氧化鉛的溶解速度。(3)在靜態(tài)的高氧濃度鉛鉍合金中開展了氧化鉛中毒現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)后對樣品表面的SEM和EDX分析中沒有發(fā)現(xiàn)氧化鐵層，驗(yàn)證了在高氧濃度鉛鉍合金中固體氧化鉛的不會出現(xiàn)中毒效應(yīng)。正常工況下池式反應(yīng)堆內(nèi)不會出現(xiàn)整體或局部氧濃度過低情況，所以本組實(shí)驗(yàn)結(jié)論也說明池式反應(yīng)堆中的固態(tài)氧控系統(tǒng)具有固有安全性。(4)氧化后不銹鋼

7、表面潤濕性變差了。本文選擇了319L、T91和CLAM三種不銹鋼材料作為研究對象，在450℃的飽和氧濃度鉛鉍合金中分別進(jìn)行了400h、800h和1200h的氧化腐蝕實(shí)驗(yàn)，隨后采用靜滴法測量鉛鉍液滴在樣品表面的接觸角，通過對比，發(fā)現(xiàn)腐蝕后樣品表面接觸角都增加了。
　　本論文課題是在國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目《乏燃料嬗變系統(tǒng)中液態(tài)金屬的固態(tài)氧控與純化的實(shí)驗(yàn)研究》支持下開展的研究工作。通過相關(guān)問題的實(shí)驗(yàn)研究，為液態(tài)鉛鉍合金中的固態(tài)