隨著全球核能發(fā)展趨勢，國際上將核電站的發(fā)展分為四代。第一代核電站，是指上世紀50、60年代初期開發(fā)的核電站。第二代核電站，是指從60年代后期到90年代前期進一步開發(fā)和建造的發(fā)電功率達30萬千瓦的大型商用核 電站。第三代核電站，是從上世紀90年代中后期到2010年開始運行的具有更高安全指標的先進核電站。正在開發(fā)中的第四代核電站，具有經濟性好、安全性高、產生廢物少、核資源可持續(xù)、核擴散可防止等優(yōu)點。其中鉛基反應堆（LFR）由于其突出的優(yōu)點成為第四代反應堆系統(tǒng)具有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N堆型之一。鉛基反應堆使用鉛或者鉛鉍共晶合金（LBE）作為冷卻劑材料，且最早在前蘇聯(lián)開發(fā)用于阿爾法級核潛艇，但由于LBE是一種腐蝕材料，結構鋼材在LBE環(huán)境會發(fā)生液態(tài)金屬腐蝕（LMC）和液態(tài)金屬脆化（LME），LMC和LME以及氧濃度成為影響鉛基反應堆性能的關鍵問題。因此為了研究液態(tài)鉛鉍環(huán)境下結構材料的力學特性，亟需開發(fā)一種可模擬不同氧濃度高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境的力學試驗系統(tǒng)。
圖1 一到四代核反應堆發(fā)展及代表堆型
氧控方案
液態(tài)LBE控氧技術主要包括氣態(tài)控氧和固態(tài)控氧，其中氣態(tài)控氧技術又分為兩種。如圖2所示，第一種是將Ar/H2還原性混合氣體或Ar/O2氧化性混合氣體通入液態(tài)LBE內部或覆蓋在表面，通過化學反應實現(xiàn)對氧濃度的控制。如圖3所示，另一種氣態(tài)控氧方式為在液態(tài)LBE表面通入Ar/H2/H2O三元混合氣體，通過控制H2和H2O的組分比例來使液態(tài)LBE氧濃度達到目標值并穩(wěn)定。第一種氣態(tài)控氧方式控氧速率較快，但是控氧精度較差且容易失控，第一種氣態(tài)控氧方式可以獲得穩(wěn)定的氧濃度且波動較小，但時控氧時間較長。
圖2 第一種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線
圖3 第二種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線
氧傳感器及氧濃度測量原理
氧傳感器是氧控系統(tǒng)中的關鍵部件，要求其在低濃度的氧含量范圍內準確地、穩(wěn)定地測量，同時具有長期的運行穩(wěn)定性。用于液態(tài)金屬中溶解氧的電化學氧傳感器利用了固體電解質的離子導體性質，可以用于測量極低的氧含量。目前，一般采用氧化鋯基固體電解質為主要材料，利用電化學濃差式電池原理制作氧傳感器。其原理如圖4所示，根據 Nernst原理，當固態(tài)電解質兩端有氧濃度梯度時，氧離子會從高濃度的一側穿過固態(tài)電解質到低濃度的一側，于是會在固態(tài)電解質的陰陽兩極之間形成一個可以反映兩邊氧濃度差值的電動勢（EMF）。在一定的溫度下，這個EMF的理論值可以通過公式算出：
E為理論電動勢EMF，單位為V；R=8.31441J/(mol·K)，為理想氣體常數(shù)；F=96484.6C/mol，為法拉第常數(shù)；T為溫度，單位是K；PO2,ref為參比電極氧分壓；PO2是被測介質中的氧分壓。在一定的溫度下，參比電極中的氧分壓是一定的，那么被測介質中的氧分壓就可以通過測量電動勢E的值獲得。
圖4 氧傳感器原理圖
根據參比電極的不同類型，可將氧傳感器分為兩種，一種是金屬-空氣氧傳感器，如Pt-空氣氧傳感器，另一種是金屬-金屬氧化物傳感器如Bi-Bi2O3、Cu-CuO2氧傳感器。國內外均有多家機構研發(fā)了LBE氧傳感器，考慮到金屬-空氣參比電極傳感器需要和空氣連通，電解質破裂可能會造成回路泄漏，優(yōu)先開發(fā)金屬-金屬氧化物參比電極氧傳感器。且Bi-Bi2O3在應用溫度范圍、準確性、響應速度、穩(wěn)定性等方面綜合性能優(yōu)異，基于以上原因，優(yōu)先開發(fā) Bi-Bi2O3參比電極傳感器。
自行設計的Bi-Bi2O3氧傳感器結構圖如圖5-a所示，實物圖如圖5-b所示，圖6為不同溫度下氧傳感器的穩(wěn)定性測試結果，測試結果誤差穩(wěn)定在2mV以內。
圖5 Bi-Bi2O3型氧傳感器結構圖
(1) BNC 接頭；(2) 密封法蘭；(3) 氟膠圈；(4) 密封陶瓷片；(5) 螺紋壓緊件；(6) 錐形環(huán)；(7) 散熱片；(8) CF法蘭；(9) 氧化鋁陶瓷管；(10) 電極引線；(11) YSZ陶瓷錐管
圖6 不同溫度下氧傳感器穩(wěn)定性測試結果
(a) 500 ℃；(b) 450 ℃；(c) 400 ℃；(d) 350 ℃
試驗裝置
主要構成包括：凱爾測控力學測試系統(tǒng)（臥式/立式），高溫液態(tài)LBE儲液系統(tǒng)，高溫液態(tài)鉛鉍試驗腔，氧控系統(tǒng)，高溫引伸計（臥式）/LVDT位移傳感器（立式），保溫系統(tǒng)以及支撐臺架。其中凱爾測控力學測試系統(tǒng)為測試主體，最大載荷50kN，最大試驗頻率15Hz。高溫液態(tài)LBE儲液系統(tǒng)儲液溫度可達550℃，最大儲液量15L，可進行液態(tài)鉛鉍氧濃度的預控制。高溫液態(tài)鉛鉍試驗腔單次試驗僅需1.5L液態(tài)鉛鉍，氧控系統(tǒng)包含氧傳感器及配套氣瓶以及控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)動態(tài)精確控氧氣，誤差可控制在2mV以內。根據氧濃度需求，高溫液態(tài)鉛鉍試驗腔可分為氧飽和液態(tài)鉛鉍試驗腔體、貧氧液態(tài)鉛鉍試驗腔以及控氧液態(tài)鉛鉍試驗腔體。保溫系統(tǒng)控溫550℃及以上，溫差±1℃，隔熱效果良好。
高溫引伸計/LVDT位移傳感器可在550℃氧飽和液態(tài)鉛鉍試驗環(huán)境下使用，精度達到0.002mm，且配套有特制的固定移動裝置，圖7為高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境臥式單軸疲勞試驗系機結構圖，展示了高溫引伸計的安裝方式及安裝實物圖。貧氧液態(tài)鉛鉍試驗腔以及控氧液態(tài)鉛鉍試驗腔體通過數(shù)字圖像技術（DIC）進行應變測量。
臥式試驗裝置方便裝夾高溫引伸計且節(jié)省鉛鉍，立式試驗裝置節(jié)省占地面積，集成度較高，可根據需要設計臥式或立式結構。
圖7高溫液態(tài)金屬環(huán)境臥式單軸疲勞試驗系機結
(a) 主機結構；(b) 引伸計安裝示意圖；(c) 引伸計安裝實物圖
參考文獻
[1]Rivai A K , Kumagai T , Takahashi M . Performance of oxygen sensor in lead-bismuth at high temperature[J]. Progress in Nuclear Energy, 2008, 50(2-6):575-581.
[2]秦博,付曉剛,馬浩然,等.鉛鉍合金氣相氧含量控制初步實驗研究[J].材料導報, 2019, 33(11):4.DOI:CNKI:SUN:CLDB.0.2019-11-010.
凱爾測控公司介紹
凱爾測控是一家專業(yè)從事開發(fā)、生產、銷售各類力學試驗系統(tǒng)的國家高新技術企業(yè)，自2008年成立以來一直致力于發(fā)展新的測試方法。先后與清華大學、北京大學、中科院金屬所、中國工程物理研究院等國內著名高校、科研院所建立密切合作，持續(xù)在航空、航天、核電等關鍵領域進行技術研發(fā)與投入。公司擁有各類力學性能試驗機四個系列四十余個品種，主導產品電磁式疲勞試驗系統(tǒng)、原位力學試驗系統(tǒng)、原位雙軸力學試驗系統(tǒng)、拉扭多軸疲勞試驗機等測試系統(tǒng)打破國外設備的壟斷。憑借著過硬的技術、性能優(yōu)良的產品和專業(yè)妥善的服務，凱爾測控贏得了眾多用戶的信賴。
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