CN103076820A - 一种适用于实现固相氧控反应的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于实现固相氧控反应的实验装置，通过控制质量交换器与液态铅铋间间歇性浸没来控制液态铅铋中氧浓度。该装置的巧妙设计解决了装置的密封连接、拆卸困难等问题，它由质量交换器、波纹管、测氧仪、热电偶、密封法兰、进/出气口、罐体等部件组成。本发明采用波纹管连接密封，实现质量交换器、测氧仪、液位计的升降，这样，装置无需在高温铅铋融化状态下安装质量交换器、测氧仪等测量仪器；同时使用波纹管升降质量交换器，可以间歇性将质量交换器浸没液态铅铋中，实现罐体中液态铅铋氧浓度的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于加速器驱动次临界堆（ADS）中氧控制技术的预研装置，为未来ADS反应堆的氧控技术提供简单易行的研究平台和技术储备。
背景技术
液态铅铋合金LBE(Lead bismuth eutectic)是加速器驱动的次临界系统（ADS）中散列靶的首选材料和先进快堆的冷却剂重要候选材料。由于液态铅铋特殊的热物理性质和化学性质，例如低熔点（123.5℃），高沸点（1670℃），高热导率，低蒸汽压并且与空气和水没有剧烈的反应等，液态铅铋目前作为ADS散裂靶和先进快堆的冷却剂在世界范围内广泛研究。
但其对钢材的腐蚀性成为其广泛运用的最大的制约。液态铅铋在中高温环境下对直接暴露在其中的钢材具有很强腐蚀性。在液态铅铋中，为了防止材料的腐蚀必须存在一定活性的溶解氧，溶解氧的活性必须足够多以避免材料氧化层的热力学溶解，起到保护材料的作用。但同时要低于PbO生成的氧活性，如果超出就会造成固态PbO析出，形成氧化物残渣，污染整个液态铅铋系统。总之，液态铅铋的操作条件必须要保证材料表面氧化层的动力学平衡和防止氧化物沉淀生成。由于以上原因，监测和控制液态铅铋中的溶解氧是很有必要的。目前控制氧浓度的方法主要有气相法和固相法两种。其中固相法方法仅俄罗斯人掌握此项技术，由于此项技术可能的军事用途，已公布的可供参考的资料非常有限。
俄罗斯物理和动力工程研究院设计了简单的静态固相氧控装置。他们的装置没有使用波纹管，往铅铋中插入质量交换器、氧传感器等需在高温下铅铋融化后再盖上法兰盘，需在氩气保护环境下操作，如手套箱中，增加了实验过程中的操作难度。本发明将克服这一难点。同时，正是氧控技术的需求，一种适用于实现固相氧控反应的实验装置可以提供氧控技术研究重要平台。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种安全性好、且结构简单、便于操作的适用于实现氧控反应的实验装置。
本发明拟解决的技术问题方案是：一种适用于实现固相氧控反应的实验装置，包括：进气口1、抽真空口2、热电偶3、多点液位计4、质量交换器5、第二波纹管6、测氧仪7、第一波纹管8、出气口9、气压表10和罐体11；所述质量交换器5通过第一波纹管8连接到法兰盘上，再通过第二波纹管6升降插入罐体11中，通过第二波纹管6将质量交换器5下端控制在液态铅铋液面之上，再间歇性通过升降第二波纹管6或第一波纹管8将质量交换器5控制在液态铅铋液面之下，这样通过质量交换器5的间歇性浸没液态铅铋中实现氧浓度的控制；所述测氧仪7通过卡套及管子连接在法兰盘上，多点液位计4通过小法兰连接在法兰盘上，热电偶3通过卡套及管子连接在法兰盘上，并都通过第二波纹管6升降插入到罐体11中，分别测量液态铅铋的氧浓度、插入的深度和液态铅铋的温度；所述进气口1、出气口9和抽真空口2直接焊接在法兰盘上与罐体11连通，并都配一球阀；所述气压表10通过法兰盘上管子连接到反应室，测量整个反应室的气压。
所述多点液位计4具有4个液位探头，最长的液位计是与测氧仪7底端等高的；次长的液位计与质量交换器5底部等高；次短的液位计与质量交换器5中心等高的；最短的液位计与质量交换器顶部是等高的；可通过调节第二波纹管6，当最短的液位计刚接触液态铅铋中，说明质量交换器5全部浸没液态铅铋中，当次长液位计刚离开液态铅铋液面，说明质量交换器完全脱离液态铅铋。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
（1）本发明的整体结构设计简单，安全性好，不需要在特殊的密闭容器中加热状态下进行拆卸安装。解决了装置的密封连接、拆卸困难等问题，本发明易于实现和操作，可普遍用于铅铋氧控实验研究。
（2）本发明通过两段波纹管实现质量交换器的间歇性浸没液态铅铋中，从而实现氧交换来控制液态铅铋中氧浓度。先通过调节第二波纹管将质量交换器调整至液态铅铋液面上，这时测氧仪已经插入液态铅铋中，再通过继续调节第二波纹管或调节第一波纹管（第一波纹管调节的长度等于质量交换器的高度）将质量交换器间歇性浸没液态铅铋中，罐体中液态铅铋氧浓度达到控制。这样，无需在高温铅铋融化状态下安装质量交换器、测氧仪等测量仪器。
（3）本发明使用波纹管升降质量交换器，可以间歇性将质量交换器浸没液态铅铋中，实现罐体中液态铅铋氧浓度的控制。这样可长时间实现氧浓度的控制，可为静态腐蚀实验等提供合理的氧浓度。
（4）本发明的测氧仪通过卡套及管子连接在法兰盘上，通过第二波纹管连接插入到罐体液态铅铋中，测量液态铅铋中的氧浓度。卡套管自由拆卸方便测氧仪更换，波纹管保证液态铅铋冷却时测氧仪与铅铋是不接触的，避免测氧仪陶瓷管在固态铅铋中存放。
（5）本发明出气口加一泄压阀门，这样调节波纹管时气体压力增加，可通过泄压阀及时排出，这样内部将不会有较大的压力存在，同时使用气压表检测压力，保证波纹管的安全性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中质量交换器示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括进气口1、抽真空口2、热电偶3、多点液位计4、质量交换器5、第二波纹管6、测氧仪7、第一波纹管8、出气口9、气压表10、罐体11。首先将固态铅铋装入罐体中，装入量为融化后约占罐体容量的4/5（可通过质量、密度等参数计算求的）；将第一波纹管8和第二波纹管6拉伸至最大长度处后将第二波纹管下端法兰与罐体11连接密封后通过抽真空口2将装置抽真空30min左右，然后关闭抽真空口，充99.999%的氩气至0.12MPa，再次抽真空，反复3次后加热罐体11将固态铅铋融化；铅铋融化后将第二波纹管6往下调节，待次长液位计与液态铅铋刚接触后停止调节第二波纹管6，这时，质量交换器5没有与铅铋接触，测氧仪7、热电偶3已插入液态铅铋中分别测液态铅铋的温度和氧浓度；待罐体11中氧浓度测量值低于要求的氧浓度值，通过调节第二波纹管6至最短液位计与液态铅铋刚接触后停止调节，这时质量交换器5完全浸没液态铅铋中，实现质量交换器5与罐体11之间液态铅铋氧的传递，待测氧仪7传出信号后换算成氧浓度在合适的范围内时，返回原来状态；或待罐体11中氧浓度测量值低于要求的氧浓度值，调节第一波纹管8，调节长度为质量交换器的高度，这时质量交换器5也完全浸没液态铅铋中，实现质量交换器5与罐体11之间液态铅铋氧的传递，待测氧仪7传出信号后换算成氧浓度在合适的范围内时，返回原来状态。
如图2所示，为质量交换器5的结构示意图，主要结构包括：连接柄A1、外保护罩A2、液态铅铋出口A3、内部保护层A4、出口缓冲A5、反应容器出口A6、液态铅铋进口A7、交换室A8、金属隔网A9、反应容器中PbO颗粒A10。其中A1与连接杆相连，液态金属从A7进入到交换室A8透过金属隔网A9后到达反应容器与PbO颗粒发生氧交换，交换后液态金属再次透过下端金属隔网后通过反应容器出口A6进入缓冲区A5，随整个质量交换器提升后从A3出口流出进入罐体，实现氧浓度交换。A2为反应容器的外保护罩，A4为反应容器内保护罩，金属隔网就是固定在内保护罩之间。开始质量交换器整体高于液态铅铋液面，然后通过调节第二波纹管6或第一波纹管8将其全部浸没液态铅铋中，PbO与液态铅铋充分混合后再次将质量交换器提升，发生氧交换后液态铅铋从出口A3处流出进入罐体，达到控氧的目的。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
且以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种适用于实现固相氧控反应的实验装置，其特征在于包括：进气口（1）、抽真空口（2）、热电偶（3）、多点液位计（4）、质量交换器（5）、第二波纹管（6）、测氧仪（7）、第一波纹管（8）、出气口（9）、气压表（10）和罐体（11）；所述质量交换器（5）通过第一波纹管（8）连接到法兰盘上，再通过第二波纹管（6）升降插入罐体（11）中，通过第二波纹管（6）将质量交换器（5）下端控制在液态铅铋液面之上，再间歇性通过升降第二波纹管（6）或第一波纹管（8）将质量交换器（5）控制在液态铅铋液面之下，这样通过质量交换器（5）的间歇性浸没液态铅铋中实现氧浓度的控制；所述测氧仪（7）通过卡套及管子连接在法兰盘上，多点液位计（4）通过小法兰连接在法兰盘上，热电偶（3）通过卡套及管子连接在法兰盘上，并都通过第二波纹管（6）升降插入到罐体（11）中，分别测量液态铅铋的氧浓度、插入的深度和液态铅铋的温度；所述进气口（1）、出气口（9）和抽真空口（2）直接焊接在法兰盘上与罐体（11）连通，并都配一球阀；所述气压表（10）通过法兰盘上管子连接到反应室，测量整个反应室的气压。
2.根据权利要求1所述的一种适用于实现固相氧控反应的实验装置，其特征在于：所述多点液位计（4）具有4个液位探头，最长的液位计是与测氧仪（7）底端等高的；次长的液位计与质量交换器（5）底部等高；次短的液位计与质量交换器（5）中心等高的；最短的液位计与质量交换器顶部是等高的；可通过调节第二波纹管（6），当最短的液位计刚接触液态铅铋中，说明质量交换器（5）全部浸没液态铅铋中，当次长液位计刚离开液态铅铋液面，说明质量交换器完全脱离液态铅铋。
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