一种氧含量控制装置及反应系统的制作方法

1.本技术涉及但不限于核工程及核技术领域，尤其涉及一种氧含量控制装置及反应系统。


背景技术：

2.铅铋合金(lead bismuth alloy，lba)作为低熔点、高沸点合金，具有优异核物理和热工性能，化学惰性，是优异的快中子反应堆冷却剂。铅铋冷却快中子反应堆是第四代先进核电堆型之一，但是铅铋合金在高温下对反应堆结构材料具有较强的腐蚀性，铅铋合金对结构材料的腐蚀会严重威胁反应堆装置的安全运行。
3.为此，本技术提供了一种氧含量控制装置及反应系统。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种氧含量控制装置及反应系统，将反应堆与氧含量控制装置关联，实现了氧含量控制装置对铅铋冷却剂中溶解氧含量的控制，保持了铅铋冷却剂对结构材料持续的钝化能力，防止材料腐蚀，保证反应堆的安全运行。
5.为了达到上述目的，本技术实施例的技术方案是这样实现的：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种氧含量控制装置，包括壳体、驱动件和氧控反应件，其中，壳体内形成有反应腔，壳体具有插入端，插入端与反应堆连通，插入端上设置有吸入口和排出口，吸入口和排出口均与反应腔连通；驱动件设置在壳体上，用于将反应堆内的铅铋冷却剂从吸入口驱动到反应腔内；氧控反应件设置在反应腔内。
7.本技术实施例提供的氧含量控制装置，壳体上具有插入端，插入端可以与反应堆连通，反应堆内有铅铋冷却剂，插入端上设置有吸入口和排出口，吸入口和排出口都与反应腔连通，壳体上还设置有驱动件，驱动件可以将反应堆内的铅铋冷却剂从吸入口驱动到反应腔内，反应腔内设置有氧控反应件，铅铋冷却剂与氧控反应件反应，使得铅铋冷却剂中的溶解氧含量处于一个特定的区域，相比于相关技术中铅铋冷却剂在高温下对反应堆材料的强腐蚀性，且对结构材料的腐蚀会严重威胁到反应堆装置的安全运行，本技术通过在铅铋冷却剂与氧含量控制装置中的氧控反应件反应，使得铅铋冷却剂中的溶解氧含量处于一个特定区间，如此，既可以保证铅铋冷却剂中的溶解氧含量处于非饱和状态，保证氧化铅不在铅铋反应堆内冷点析出，堵塞管路，影响安全运行，还可以在反应堆堆内结构材料，如阀门、管路、加热器、换热器等材料的表面形成一层致密的氧化层，避免结构材料免遭铅铋冷却剂的腐蚀，即，本技术提供的氧含量控制装置，将反应堆与氧含量控制装置关联，实现了氧含量控制装置对铅铋冷却剂中溶解氧含量的控制，保持了铅铋冷却剂对结构材料持续的钝化能力，防止材料腐蚀，保证反应堆的安全运行。
8.在本技术的一种可能的实现方式中，反应腔包括氧控反应腔和铅铋吸入腔，氧控反应腔与铅铋吸入腔远离插入端的一侧连通，铅铋吸入腔与吸入口连通，氧控反应腔与排出口连通，氧控反应件设置在氧控反应腔内。
9.本技术实施例提供的氧含量控制装置，将反应腔分隔为两个腔体，分别为氧控反应腔和铅铋吸入腔，铅铋吸入腔与吸入口连通，反应堆内的铅铋冷却剂可从吸入口进入铅铋吸入腔，铅铋吸入腔与氧控反应腔远离插入端的一侧连通，处于铅铋吸入腔内的铅铋冷却剂可从连通处流入到氧控反应腔，与氧控反应腔内的氧控反应件反应，然后通过排出口排出，铅铋冷却剂通过吸入口、铅铋吸入腔、氧控冷却腔和排出口形成了闭环回路，加快了铅铋冷却剂与氧控反应件的快速反应。
10.在本技术的一种可能的实现方式中，还包括吸入管，吸入管设置在壳体内，吸入管的内部形成铅铋吸入腔。
11.本技术实施例提供的氧含量控制装置，在壳体内设置吸入管，直接将反应腔分隔为氧控反应腔和铅铋吸入腔，结构简单，操作方便，可实现性强。
12.在本技术的一种可能的实现方式中，吸入管靠近插入端的直径小于吸入管远离插入端的直径。
13.本技术实施例提供的氧含量控制装置，将吸入管设置为上粗下细的形状，所述吸入管远离插入端的一侧可完全容载从吸入口经过吸入管内的铅铋冷却剂，提高了氧含量控制装置的铅铋冷却剂的容载量。
14.在本技术的一种可能的实现方式中，远离插入端的吸入管的侧壁上设置有多个汇流连通孔，用以将氧控反应腔和铅铋吸入腔连通。
15.本技术实施例提供的氧含量控制装置，在远离插入端的吸入管的侧壁上设置多个汇流连通孔的方法，将氧控反应腔和铅铋吸入腔连通，操作简单方便，降低了氧含量控制装置的设计成本。
16.在本技术的一种可能的实现方式中，靠近插入端的吸入管的侧壁上设置多个回流孔，用于反应过后的部分铅铋冷却剂从回流孔流入吸入管内。
17.本技术实施例提供的氧含量控制装置，在靠近插入端的吸入管的侧壁上设置多个回流孔，当铅铋冷却剂与氧控反应件反应后，部分氧含量为达到标准的铅铋冷却剂可通过回流孔进入到铅铋吸入腔内继续循环，直到铅铋冷却剂中的溶解氧含量到达标准，再从排出口排出进入到反应堆内，提高了铅铋冷却剂与氧控反应件的反应速率。
18.在本技术的一种可能的实现方式中，氧控反应腔内设置多个氧控反应件，且多个氧控反应件均布在氧控反应腔内。
19.本技术实施例提供的氧含量控制装置，在氧控反应腔内设置多个氧控反应件，有利于氧控反应件与铅铋冷却剂的完全反应，提高反应速率。
20.在本技术的一种可能的实现方式中，多个氧控反应件通过栅板固定在氧控反应腔内。
21.本技术实施例提供的氧含量控制装置，将多个氧控反应件通过栅板固定在反应腔内，使得反应腔可以均匀的布置在氧控反应腔内，铅铋冷却剂与氧控反应完成后可以沿着氧控反应件的间隙中顺利流出，加快了反应后的铅铋冷却剂流向排出口的速度，且多个氧控反应件之间设置有间隙，铅铋冷却剂全部充设在氧控反应件的间隙里，与氧控反应件表面均接触反应，提高了铅铋冷却剂与氧控反应件的反应速率。
22.在本技术的一种可实现方式中，驱动件为铅铋悬臂离心泵，铅铋悬臂离心泵的一端伸入到吸入管远离插入端的铅铋吸入腔内。
23.第二方面，本技术实施例提供了一种反应系统，包括反应堆、铅铋供给回路以及第一方面实施例提供的氧含量控制装置，反应堆与铅铋供给回路连通，用于向反应堆提供铅铋冷却剂；氧含量控制装置的插入端与反应堆内铅铋冷却剂连通，用于对反应堆内的铅铋冷却剂的氧含量进行调节控制。
24.本技术实施例提供了一种反应系统，由于包括了第一方面的任一实施例提供的氧含量控制装置，因此，具有同样的技术效果，即，将反应堆与氧含量控制装置关联，实现了氧含量控制装置对铅铋冷却剂中溶解氧含量的控制，保持了铅铋冷却剂对结构材料持续的钝化能力，防止材料腐蚀，保证反应堆的安全运行。
25.在本技术的一种可能的实现方式中，反应堆内设置有电化学型传感器，用于实时监测铅铋冷却剂内氧含量。
26.在本技术的一种可能的实现方式中，的反应系统还包括控制模块，控制模块与电化学型传感器和驱动件电连接，控制模块根据电化学型传感器所监测的铅铋冷却剂的氧含量控制驱动件的转速。
附图说明
27.图1为本技术实施例提供的反应系统示意图；
28.图2为本技术实施例中反应系统电连接示意图；
29.图3为本技术实施例中氧含量控制装置插入端插入反应堆的示意图；
30.图4为本技术实施例提供的氧含量控制装置示意图。
31.附图标记
32.1-壳体；11-反应腔；111-氧控反应腔；112-铅铋吸入腔；12-插入端；121-吸入口；122-排出口；13-吸入管；131-汇流连通孔；132-回流孔；2-驱动件；3-氧控反应件；4-栅板；5-铅铋冷却剂；6-反应堆；7-铅铋供给回路。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本技术宗旨的解释说明，不应视为对本技术的不当限制。
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。
35.在本技术实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
36.此外，在本技术实施例中，“上”、“下”、“左”以及“右”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
37.在本技术实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例
如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
38.在本技术实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
39.在本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
40.液态金属冷却剂是指由低熔点碱金属(如na、k、li)和低熔点合金(如pb-bi)等构成的一种冷却介质，其具有比热容和热导率、熔点低、沸点高的特点，常见的液态金属冷却剂有钠钾合金、铅铋合金和镓铟合金等。主要应用于核反应堆冷却、计算机芯片散热等领域。
41.其中，钠钾合金用作快中子核反应堆中的换热介质，其熔点为97.8℃，且液态钠具有极高的热导率，比如在100℃的导热系数为86.9w/m
·
k，液态钾的导热系数略低于液态钠。液态钠和液态钾可以以任意比混溶，共晶nak合金的熔点为-12.65
±
0.01℃，钠、钾或钠钾合金化学性质都比较活泼，在空气中会被迅速氧化,在水中会发生剧烈燃烧。正是因为安全因素，在非密闭空间应用不多，其主要优点在于换热性能好且价格便宜。
42.镓铟合金中的镓是柔软的银白色金属,它在大气环境下的熔点很低，仅为29.77
°
,在熔点时的导热系数为29.4w/m
·
k，远高于空气和水。这些热特性表明将镓作为芯片散热用的冷却介质是十分合适的，较为成熟的液态金属镓冷却技术是采用镓铟合金作为计算机散热器中的冷却介质。
43.液态铅秘合金已成为加速器驱动次临界反应堆冷却剂及散裂主要候选材料之一。其优点包括：1、良好的中子学性能，在相同的质子束功率下，可获得比固态钨靶更高的中子通量密度；2、铅秘合金共晶体的溶点低，只有125.5℃，靶系统可以在低的温度与压力下运行，减少了反应堆和靶设计的实现难度和高温高压运行带来的安全隐患；3、导热性能优异，载热能力强，传热迅速；4、堆运行温度下，铅秘合金饱和蒸汽压低，可减少铅秘的蒸发与沉积引发的系统控制和维修问题；5、中子辅照损伤小；6、铅秘合金在堆运行状况下，与空气和水呈化学惰性，不会发生剧烈反应，可大大降低因冷却剂泄露造成的化学起火与爆炸的可能性。但是铅铋合金在高温下对反应堆结构材料具有较强的腐蚀性，铅铋合金对结构材料的腐蚀会严重威胁反应堆装置的安全运行。
44.为此，本技术实施例提供了一种反应系统，参照图1和图2，包括反应堆6、铅铋供给回路7以及本技术提供的氧含量控制装置，反应堆6与铅铋供给回路7连通，用于向反应堆6提供铅铋冷却剂5；氧含量控制装置的插入端12与反应堆6内铅铋冷却剂5连通，用于对反应堆6内的铅铋冷却剂5的氧含量进行调节控制。
45.需要补充说明的是，参照图3，氧含量控制装置的插入端可以直接插入到反应堆6内，也可以安装在铅铋冷却剂5堆外引流的容器内，保持了铅铋冷却剂5对结构材料持续的
钝化能力，防止材料的腐蚀，保证反应堆6的安全运行。将氧含量控制装置的插入端12直接插入到反应堆6的方式，可以保证反应堆6系统小型化紧凑性的设计，同时减少了阀门、管线和仪表的安装和使用，保障了反应堆6运行的可靠性；将氧含量控制装置安装于铅铋冷却剂5堆外引流的容器上可以实现多组氧含量控制装置并联安装，一用多备，实现了反应堆6的全寿期免更换，此外，氧含量控制装置还可以安装在加速器驱动次连接铅铋反应堆6、铅铋快中子反应堆6和各种大型铅基合金试验装置上，缓解和减弱铅铋冷却剂5对结构材料的腐蚀作用，为这些装置和设备的安全、稳定和可靠运行提供有力保障。
46.本技术提供一种氧含量控制装置，参照图3，包括壳体1上具有插入端12，插入端12可以与反应堆6连通，反应堆6内有铅铋冷却剂5，插入端12上设置有吸入口121和排出口122，吸入口121和排出口122都与反应腔11连通，壳体1上还设置有驱动件2，驱动件2可以将反应堆6内的铅铋冷却剂5从吸入口121驱动到反应腔11内，反应腔11内设置有氧控反应件3，铅铋冷却剂5与氧控反应件3反应，使得铅铋冷却剂5中的溶解氧含量处于一个特定的区域，如此，既可以保证铅铋冷却剂5中的溶解氧含量处于非饱和状态，保证氧化铅不在铅铋反应堆6内冷点析出，堵塞管路，影响安全运行，还可以在反应堆6堆内结构材料，如阀门、管路、加热器、换热器等材料的表面形成一层致密的氧化层，避免结构材料免遭铅铋冷却剂5的腐蚀。
47.示例地，氧控反应件3以氧化铅(pbo)为例，pbo陶瓷球为控制铅铋堆内冷却剂中氧含量的核心物质，以纯度优于99.99％的高纯pbo微粉为原料，经造粒后，装入橡胶模具，由冷等静压成型方法预制素坯pbo球，制备时，冷等静压的最大压力为(150～300)mpa，保压时间为(1～10)min，获得素坯pbo球的直径为(5～30)mm。然后，在空气或是保护性氩气、氮气气氛中烧制瓷球，最高烧结温度为(600～800)℃，保温时间(5～12)h。
48.如图1所示，其中，驱动件2可以为铅铋悬臂离心泵，铅铋离心泵的一端伸入到反应腔11内，泵的流量范围可达到为(0～1500)l/h，泵的扬程为(0～4)m。在铅铋悬臂离心泵的作用下可将铅铋冷却剂5从吸入口121以(0～1500)l/h的流量吸入到反应腔11内，与pbo陶瓷球反应，调节铅铋冷却剂5中溶解氧含量，然后从排出口122流出。当氧含量控制装置从铅铋堆堆顶直接插入到反应堆6堆池时，铅铋悬臂离心泵的叶轮位于液面以下(100～300)mm，浸入自由液面以下的部件长度为(1500～2400)mm，泵体安装在壳体1的顶部。
49.具体地，如图2和图3所示，还可以在反应堆6内设置电化学型传感器，电化学传感器可实时监测和监控反应堆6中冷却剂中的溶解氧含量。还可以在反应堆6系统中设置控制模块，控制模块与电化学型传感器和驱动件2电连接，控制模块可根据电化学型传感器中实时监测和监控反应堆6中铅铋冷却剂5中的溶解氧含量，将测量信号反馈给控制模块，控制模块根据接收到的信号通过处理连续调节氧含量控制装置中驱动件2的电机频率，调节流经氧控反应件3的流量，将铅铋冷却剂5中的溶解氧含量控制在10-7
～5.0
×
10-6
wt.％区间范围。
50.参照图3，由上述可知，壳体1上具有插入端12，插入端12可以与反应堆6连通，反应堆6内有铅铋冷却剂5，插入端12上设置有吸入口121和排出口122，吸入口121与排出口122都与反应腔11连通，铅铋冷却剂5需要从吸入口121进入，与反应腔11里的pbo陶瓷球反应，然后从排出口122排出，为了提高铅铋冷却剂5在反应腔11内的流动速度以及与反应腔11里的pbo陶瓷球反应，将反应腔11分隔为两个腔体，分别为氧控反应腔111和铅铋吸入腔112，
铅铋吸入腔112与吸入口121连通，反应堆6内的铅铋冷却剂5可从吸入口121进入铅铋吸入腔112，铅铋吸入腔112与氧控反应腔111远离插入端12的一侧连通，处于铅铋吸入腔112内的铅铋冷却剂5可从连通处流入到氧控反应腔111，与氧控反应腔111内的氧控反应件3反应，然后通过排出口122排出，铅铋冷却剂5通过吸入口121、铅铋吸入腔112、氧控反应腔111和排出口122形成了闭环回路，加快了铅铋冷却剂5与氧控反应件3的快速反应。
51.在本技术的一种可能的实现方式中，如图4所示，还包括吸入管13，吸入管13设置在壳体1内，吸入管13的内部形成铅铋吸入腔112，吸入管13的外部形成了氧控反应腔111，且壳体1与吸入管13的材料主要为不锈钢结构件，吸入管13获取简单，成本低，且在壳体1内设置吸入管13的操作简单，可实现性强，可有效的控制氧含量控制装置。
52.需要补充说明的是，吸入管13为中空结构，吸入管13内的腔体可以为正方体，也还可以为圆柱体，还可以为不规则体，当吸入管13的腔体为圆柱体时，直径可设置在(20～100)mm之间，同样地，吸入管13可以放在壳体1内的任意位置，为了保持对称性，将吸入管13一般放置在壳体1的中心轴对称位置，使得吸入管13的外部形成环形氧控反应腔111，对此，本技术不做限制。
53.进一步地，铅铋吸入腔112的大小决定了驱动件2从反应堆6内吸入铅铋冷却剂5流量，为了提高吸入管13的容量，使得吸入管13靠近插入端12的直径小于吸入管13远离插入端12的直径。将吸入管13设置为上粗下细的形状，吸入管13远离插入端12的一侧可完全容载从吸入口121经过吸入管13内的铅铋冷却剂5。
54.在本技术提供的一些实施例中，参照图4，氧控反应腔111和铅铋吸入腔112之间应设置有连通部，铅铋冷却剂5可从铅铋吸入腔112进入氧控反应腔111，为此，本技术提供一种可实现方式，在远离插入端12的吸入管13的侧壁上设置多个汇流连通孔131，此时，铅铋冷却剂5可通过汇流连通孔131从铅铋吸入腔112进入氧控反应腔111，形成闭环回路，在远离插入端12的吸入管13的侧壁上设置多个汇流连通孔131的方法，将氧控反应腔111和铅铋吸入腔112连通，操作简单方便，降低了氧含量控制装置的设计成本。
55.当铅铋冷却剂5在氧控反应腔111内与氧控反应件3反应后，对铅铋冷却剂5中的溶解氧含量进行调节，但还存在部分富氧的铅铋冷却剂5，为此，本技术在靠近插入端12的吸入管13的侧壁上设置多个回流孔132，需要补充说明的是，回流孔既可以设置为多个，也可对称分布，回流口的直径为(2～8)mm。在靠近插入端12的吸入管13的侧壁上设置多个回流孔132，当铅铋冷却剂5与氧控反应件3反应后，部分氧含量为达到标准的铅铋冷却剂5可通过回流孔132进入到铅铋吸入腔112内继续循环，直到铅铋冷却剂5中的溶解氧含量到达标准，再从排出口122排出进入到反应堆6内，提高了铅铋冷却剂5与氧控反应件3的反应速率。
56.在本技术提供的其他的一些实施例中，如图4所示，在氧控反应腔111内设置多个氧控反应件3，如pbo陶瓷球，将pbo陶瓷球均匀的分布在氧控反应腔111内，有利于氧控反应件3与铅铋冷却剂5的完全反应，提高反应速率。
57.进一步地，当铅铋冷却剂5进入氧控反应腔111内与氧控反应件3反应时，铅铋冷却剂5由于重力的作用具有重力势能，会冲散氧控反应件3的排布方式，阻碍铅铋冷却剂5在氧控反应腔111内的流动，因此，在氧控反应腔111内设置栅板4，多个氧控反应件3通过栅板4固定在氧控反应腔111内，使得反应腔11可以均匀的布置在氧控反应腔111内，铅铋冷却剂5与氧控反应完成后可以沿着氧控反应件3的间隙中顺利流出，加快了反应后的铅铋冷却剂5
流向排出口122的速度，且多个氧控反应件3之间设置有间隙，铅铋冷却剂5全部充设在氧控反应件3的间隙里，与氧控反应件3表面均接触反应，提高了铅铋冷却剂5与氧控反应件3的反应速率。示例地，栅板4上的栅格可以为三角形，也可以为四边形，还可以为圆形，当栅格为三角形和四边形时，其单边长度设置在(3～10)mm之间，当栅格为圆形时，栅格的直径也设置在(3～10)mm之间。
58.以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。