【摘要】：鉛鉍合金(LBE)具有優(yōu)良的中子學與物理化學性能,是第四代先進核能系統(tǒng)鉛基快堆的候選冷卻劑材料,同時也是未來ADS系統(tǒng)重要的候選散裂靶材料和次臨界堆候選冷卻劑材料之一。但是,LBE自身氧化及其對結構材料腐蝕會影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,成為國際上備受關注的亟待解決的重要科學問題。為了深入開展LBE自身氧化行為以及LBE與材料相互作用效應的研究,本論文設計研發(fā)了一套控氧液態(tài)鉛鉍合金實驗裝置,并開展了裝置性能測試與實驗研究。主要研發(fā)內容與實驗結果如下:1.根據LBE介質的特性與實驗裝置要求,利用CFD數(shù)值仿真方法,分析了裝置結構對LBE流動的影響,并不斷優(yōu)化參數(shù),最終完成了控氧液態(tài)鉛鉍合金實驗裝置的設計與建設。該裝置主要由真空系統(tǒng)、儲料與給料系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、高溫屏蔽泵系統(tǒng)、流量測量系統(tǒng)、氧含量控制與測量系統(tǒng)以及材料實驗系統(tǒng)等構成,其總體技術指標為:LBE裝機容量約500 kg,LBE流量0~3 m~3/h,最高工作溫度600℃,氧含量范圍10~(-6) wt-ppm~飽和氧,真空度好于5×10~(-4) Pa,漏率優(yōu)于5×10~-77 Pa·L/s,承受正壓≤0.6 MPa。2.成功研制了可用于600℃高溫LBE環(huán)境中的零泄漏屏蔽泵。該屏蔽泵采用了單級單吸離心泵的結構形式,利用CFD數(shù)值仿真方法對葉輪與泵室進行了優(yōu)化設計,并將電機腔與泵室在結構上完全隔離,使屏蔽泵的工作溫度大幅提高。該屏蔽泵的揚程可達10 m,額定流量為3.0 m~3/h,而電機功率僅為3 k W。3.研發(fā)了可實現(xiàn)氧含量小于0.01 wt-ppm的幾套氣相氧控系統(tǒng),這些系統(tǒng)可以產生不同比例與流量的Ar-H_2-H_2O三元混合氣體以及Ar-H_2/Ar-O_2二元混合氣體,通過覆蓋在LBE表面或直接吹入LBE中,已將LBE中的氧含量控制在了不同的水平。4.以Nernst原理為基礎,利用釔穩(wěn)定的氧化鋯ZrO_2-Y_2O_3(YSZ)傳導氧離子的特性,設計并組裝了參考電極為空氣與Bi-Bi_2O_3的兩種氧傳感器。在理論上建立了輸出電勢與LBE中氧含量的對應關系,并在飽和氧與欠飽和氧條件下進行了氧傳感器的標定與測試。結果表明,Pt-air型氧傳感器能可靠工作的溫度在450℃以上,而Bi-Bi_2O_3型傳感器在400℃以上。在各自的可靠工作溫度范圍內,其電勢信號的測量誤差分別為1%與4%,但氧含量C_o的相對誤差則分別為20%與8%。5.研究了氣體成分、比例、流量對氧含量的影響關系,并結合不同的措施將氧含量控制在logC_o=-4、-5、-6、-7、-8的不同水平,最低達到了logC_o=-12,最終掌握了LBE中氧含量的測量與控制技術。該裝置的建成為氧含量控制與材料腐蝕實驗提供了必要條件,為CiADS項目次臨界反應堆工程建設中涉及的鉛鉍氧控系統(tǒng)設計提供了重要參考。
【圖文】：

利用 ADS 系統(tǒng)可以把一些核廢料的半衰期壽命從上百萬年嬗變?yōu)閹装倌晟踔粮�，大大降低毒性和儲量。圖1.1 ADS 系統(tǒng)結構與原理圖自上世紀 90 年代提出了 ADS 概念以來，引起了國際上的廣泛關注，，世界各國紛紛投入大量的人力物力來開展相關技術研究，如歐盟的 IP-EUROTRANS 計劃[21,22]、美國的先進核燃料循環(huán)倡議[23]、比利時SCK CEN 的MYRRHA項目[24,25]、

圖1.2鋼的腐蝕與氧含量的關系量的 Fe-Cr 鋼和 Fe-Cr-Ni 鋼作為研究對象進行了腐蝕、ODS-M、F82H、SCM420、Eurofer 97、P22、STBAS、Optifer Ivc、EM10、EP823、Manet II、HT9、56T5、T410ss、410ss 以及奧氏體鋼 D9、316L、304L、14Cr-16Ni[87-116]，液態(tài)金屬環(huán)境為靜態(tài)與動態(tài)的純 Pb 或 LBE，，時間持續(xù) 100~10 000 小時，氧含量條件為 10-12wt.%：（1）溫度在 500~550℃范圍內，結構材料表面形成的作用，溫度超過 600℃時，不同材料即便在飽和氧含量；（2）大部分鋼在氧含量小于 10-6wt.%的液態(tài)金屬環(huán)解腐蝕，且氧含量越低腐蝕越嚴重。奧氏體鋼由于 Ni
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL341

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本文編號：2606890