【摘要】：鉛鉍合金(LBE)具有優(yōu)良的中子學(xué)與物理化學(xué)性能,是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)鉛基快堆的候選冷卻劑材料,同時(shí)也是未來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)材料腐蝕會(huì)影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,成為國(guó)際上備受關(guān)注的亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)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(yīng)的研究,本論文設(shè)計(jì)研發(fā)了一套控氧液態(tài)鉛鉍合金實(shí)驗(yàn)裝置,并開展了裝置性能測(cè)試與實(shí)驗(yàn)研究。主要研發(fā)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:1.根據(jù)LBE介質(zhì)的特性與實(shí)驗(yàn)裝置要求,利用CFD數(shù)值仿真方法,分析了裝置結(jié)構(gòu)對(duì)LBE流動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與建設(shè)。該裝置主要由真空系統(tǒng)、儲(chǔ)料與給料系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、高溫屏蔽泵系統(tǒng)、流量測(cè)量系統(tǒng)、氧含量控制與測(cè)量系統(tǒng)以及材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等構(gòu)成,其總體技術(shù)指標(biāo)為:LBE裝機(jī)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(jí)單吸離心泵的結(jié)構(gòu)形式,利用CFD數(shù)值仿真方法對(duì)葉輪與泵室進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并將電機(jī)腔與泵室在結(jié)構(gòu)上完全隔離,使屏蔽泵的工作溫度大幅提高。該屏蔽泵的揚(yáng)程可達(dá)10 m,額定流量為3.0 m~3/h,而電機(jī)功率僅為3 k W。3.研發(fā)了可實(shí)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(chǎn)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(guò)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(chǔ),利用釔穩(wěn)定的氧化鋯ZrO_2-Y_2O_3(YSZ)傳導(dǎo)氧離子的特性,設(shè)計(jì)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(shì)與LBE中氧含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并在飽和氧與欠飽和氧條件下進(jìn)行了氧傳感器的標(biāo)定與測(cè)試。結(jié)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(nèi),其電勢(shì)信號(hào)的測(cè)量誤差分別為1%與4%,但氧含量C_o的相對(duì)誤差則分別為20%與8%。5.研究了氣體成分、比例、流量對(duì)氧含量的影響關(guān)系,并結(jié)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(dá)到了logC_o=-12,最終掌握了LBE中氧含量的測(cè)量與控制技術(shù)。該裝置的建成為氧含量控制與材料腐蝕實(shí)驗(yàn)提供了必要條件,為CiADS項(xiàng)目次臨界反應(yīng)堆工程建設(shè)中涉及的鉛鉍氧控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wàn)年嬗變?yōu)閹装倌晟踔粮�，大大降低毒性和�?chǔ)量。圖1.1 ADS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理圖自上世紀(jì) 90 年代提出了 ADS 概念以來(lái)，引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，，世界各國(guó)紛紛投入大量的人力物力來(lái)開展相關(guān)技術(shù)研究，如歐盟的 IP-EUROTRANS 計(jì)劃[21,22]、美國(guó)的先進(jìn)核燃料循環(huán)倡議[23]、比利時(shí)SCK CEN 的MYRRHA項(xiàng)目[24,25]、

圖1.2鋼的腐蝕與氧含量的關(guān)系量的 Fe-Cr 鋼和 Fe-Cr-Ni 鋼作為研究對(duì)象進(jìn)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(dòng)態(tài)的純 Pb 或 LBE，，時(shí)間持續(xù) 100~10 000 小時(shí)，氧含量條件為 10-12wt.%：（1）溫度在 500~550℃范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)材料表面形成的作用，溫度超過(guò) 600℃時(shí)，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(yán)重。奧氏體鋼由于 Ni
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL341

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本文編號(hào)：2606890