一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器

1.本发明涉及第四代核反应堆铅基堆领域，具体属于一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器。


背景技术：

2.液态铅铋是第四代反应堆铅基快堆冷却剂和加速器驱动的次临界系统中散裂靶首选材料之一，具有优良的化学、物理和核特性。但液态铅铋在高温下对反应堆结构材料具有很强的腐蚀性，而其腐蚀性受溶解氧浓度的影响。研究表明，非等温液态铅铋系统存在一个合理氧浓度范围，氧浓度控制在此范围内时，可以在铁基金属材料表面形成致密的氧化层，而氧化层能够减缓液态铅铋合金对结构材料的腐蚀。因此控制溶解氧浓度对液态铅铋系统是必不可少的。目前国际上用于控制液态铅铋合金氧浓度的方式大多数是气态氧控和固态氧控，但是气态氧控存在氧离子交换速率较慢、局部容易产生氧化物、有很大的产生气态放射性废物的潜在性等缺点。固态氧控通过调节固态氧化铅陶瓷小球溶解速率，能够对液态铅铋系统进行快速增氧，是一项国际前沿的领先技术，具有高效的氧离子交换速率、快速的氧浓度调节、无氧化物残渣生成等诸多优点，相比于气态氧控来说具有很大的优越性。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服液态铅铋合金气态氧控技术的不足，提供一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器，能够快速调节液态铅铋合金的溶解氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋对结构材料腐蚀的目的。
4.本发明解决上述的技术问题采用的技术方案如下：一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器，包括液态铅铋流动管道和固态氧源补充部件，所述液态铅铋流动管道包括主回路管道突扩入口（1）、主回路管道（2）、文丘里管嘴出口（3）、竖直管道装料腔（7）、旁路管道（4）、竖直管道隔离器腔（19）、电动阀门（5）；所述竖直管道隔离腔（19）上部设置了密封法兰（8），用于与固定法兰（9）密封连接；所述竖直管道装料腔（7）管道外壁面设置了加热器（6），可以控制液态铅铋的温度；所述固态氧源补充部件包括固定法兰（9）、卡套连接件本体（10）、卡套紧固件（11）、滑杆（12）、装料桶上孔板（13）、装料桶（14）、装料桶下孔板（17）、装料桶上孔板锁紧孔（18）、氧化铝小球（15）、氧化铅陶瓷小球（16）；所述液态铅铋流动管道中的液态铅铋流动路径为，首先进入主回路管道突扩入口（1），然后同时进入主回路管道（2）和竖直管道装料腔（7），流过主回路管道（2）的液态铅铋流体可直接经过文丘里管嘴出口（3）进入下游系统中，而流入旁路管道（4）液态铅铋流体受到电动阀门（5）的控制，当电动阀门（5）开启时，流入旁路管道（4）液态铅铋流体在文丘里管嘴出口（3）处与流过主回路管道（2）的液态铅铋流体汇合进入下游系统；所述固态氧源补充部件的固定法兰（9）中间穿孔，将卡套连接件本体（10）焊接到固定法兰（9）穿孔上，滑杆（12）上端穿过固定法兰（9）和卡套连接件本体（10），并由卡套紧固件（11）与卡套连接件本体（10）固定其伸缩长度，滑杆（12）下端穿过装料桶（14）的装料桶上孔板（13）与装料桶下孔板（17）焊接；所述装料桶（14）用于
填充氧化铝小球（15）和氧化铅陶瓷小球（16），装料桶（14）填满小球形成填充球床后由装料桶上孔板锁紧孔（18）用螺母锁紧装料桶上孔板（13），与装料桶下孔板（17）将填充球床固定在装料桶（14）中；所述固态氧源补充部件工作时由固定法兰（9）带动滑杆（12）将装料桶（14）插入到液态铅铋流动管道的竖直管道装料腔（7）中，当高温的液态铅铋流过竖直管道装料腔（7）时将装料桶（14）中的氧化铅陶瓷小球溶解，氧化铅进入到下游液态铅铋系统，实现液态铅铋固态氧控氧离子交换的目的。
5.所述液态铅铋流动管道安装到液态铅铋回路中时主回路管道突扩入口（1）为上游，文丘里管嘴出口（3）为下游，装置需要竖直安装，以竖直管道装料腔（7）方向与重力方向一致为准，安装在整个液态铅铋系统的最高位置处，此时液态铅铋液位刚好没过旁路管道（4），未到达竖直管道隔离腔（19）。
6.所述固态氧源补充部件中装料桶（14）的装料桶上孔板（13）和装料桶下孔板（17）为开孔4 mm的滤板，用于固定装料桶（14）中的填充球床形状，氧化铅陶瓷小球（16）是液态铅铋系统的固态氧源，装料桶（14）填充氧化铝小球（15）和氧化铅陶瓷小球（16）时，需按照先填充氧化铝小球（15）、然后填充氧化铅陶瓷小球（16）、最后再填充氧化铝小球（15）的顺序，即氧化铅陶瓷小球（16）需在装料桶（14）中的填充球床中间位置，这是因为氧化铝小球（15）不溶于液态铅铋，氧化铝球床起到过滤作用，防止氧化铅陶瓷小球（16）溶解变小后进入液态铅铋系统内。
7.其中，所述电动阀门（5）可以通过调节开度控制流过竖直管道装料腔（7）和旁路管道（4）的液态铅铋流量，进而控制氧化铅陶瓷小球（16）的溶解速率，达到控制氧离子交换速率的目的，液态铅铋系统需要快速增氧时，可以增大电动阀门（5）的开度增加液态铅铋流量。
8.其中，所述竖直管道装料腔（7）管道外壁面设置了加热器（6），可以控制此处的温度，温度越高，氧化铅陶瓷小球（16）的溶解速率越大，氧离子交换速率也越大。
9.其中，所述固态氧源补充部件不需要工作时，可以拧松与密封法兰（8）密封连接的固定法兰（9）上的卡套紧固件（11），然后提升滑杆（12）带动装料桶（14）向上移动到竖直管道隔离腔（19），此时，填充有氧化铝小球（15）和氧化铅陶瓷小球（16）的装料桶（14）离开液态铅铋流体，达到隔离作用，不需要打开固定法兰（9），有效防止环境对液态铅铋系统的污染。
10.实施本发明的有益效果为：在本发明中液态铅铋系统氧浓度通过固体氧控氧离子交换器中氧化铅陶瓷小球的溶解进行补充，相比气态氧控，具有高效的氧离子交换速率和快速的氧浓度调节能力，消除了气体废弃物的风险；相比以往的固态氧控，设置的滑杆能够提升装料桶将固态氧源隔离液态铅铋流体，不需要打开密封法兰，操作更加安全可靠。
11.附图说明
12.图1为本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器原理图；图2为本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器结构示意图；
图3为本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器的固态氧源补充部件结构剖视图；图中，主回路管道突扩入口（1）、主回路管道（2）、文丘里管嘴出口（3）、旁路管道（4）、电动阀门（5）、加热器（6）、竖直管道装料腔（7）、密封法兰（8）、固定法兰（9）、卡套连接件本体（10）、卡套紧固件（11）、滑杆（12）、装料桶上孔板（13）、装料桶（14）、氧化铝小球（15）、氧化铅陶瓷小球（16）、装料桶下孔板（17）、装料桶上孔板锁紧孔（18）、竖直管道隔离腔（19）。
13.具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
15.本发明提供一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器，具有高效的氧离子交换速率、快速的氧浓度调节、无氧化物残渣生成等诸多优点，能够快速调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。
16.如图1所示，本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器工作原理图，固态氧控氧离子交换器入口处流入的液态铅铋温度为t1，氧浓度为c
[o]1
，同时流入主回路管道和旁路管道，进入旁路管道的液态铅铋流体流过填充球床时冲刷氧化铅陶瓷小球，同时装料腔管道外壁面加热器加热，控制氧化铅溶解，球床下游旁路管道液体铅铋温度变成为t1，氧浓度为c
[o]2
，继续向后流动在出口处与主回路管道温度为t1，氧浓度为c
[o]1
的液态铅铋流体混合得到温度为t3，氧浓度为c
[o]3
的液态铅铋流体，从而达到调节液态铅铋合金中氧浓度的目的。
[0017]
如图2所示，本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器的结构示意图，包括液态铅铋流动管道和固态氧源补充部件，所述液态铅铋流动管道包括主回路管道突扩入口（1）、主回路管道（2）、文丘里管嘴出口（3）、竖直管道装料腔（7）、旁路管道（4）、竖直管道隔离器腔（19）、电动阀门（5）；所述竖直管道隔离腔（19）上部设置了密封法兰（8），用于与固定法兰（9）密封连接；所述竖直管道装料腔（7）管道外壁面设置了加热器（6），可以控制液态铅铋的温度；所述固态氧源补充部件包括固定法兰（9）、卡套连接件本体（10）、卡套紧固件（11）、滑杆（12）、装料桶上孔板（13）、装料桶（14）、装料桶下孔板（17）、装料桶上孔板锁紧孔（18）、氧化铝小球（15）、氧化铅陶瓷小球（16）；所述液态铅铋流动管道中的液态铅铋流动路径为，首先进入主回路管道突扩入口（1），然后同时进入主回路管道（2）和竖直管道装料腔（7），流过主回路管道（2）的液态铅铋流体可直接经过文丘里管嘴出口（3）进入下游系统中，而流入旁路管道（4）液态铅铋流体受到电动阀门（5）的控制，当电动阀门（5）开启时，流入旁路管道（4）液态铅铋流体在文丘里管嘴出口（3）处与流过主回路管道（2）的液态铅铋流体汇合进入下游系统；所述固态氧源补充部件的固定法兰（9）中间穿孔，将卡套连接件本体（10）焊接到固定法兰（9）穿孔上，滑杆（12）上端穿过固定法兰（9）和卡套连接件本体（10），并由卡套紧固件（11）与卡套连接件本体（10）固定其伸缩长度，滑杆（12）下端穿过装料桶（14）的装料桶
上孔板（13）与装料桶下孔板（17）焊接；所述装料桶（14）用于填充氧化铝小球（15）和氧化铅陶瓷小球（16），装料桶（14）填满小球形成填充球床后由装料桶上孔板锁紧孔（18）用螺母锁紧装料桶上孔板（13），与装料桶下孔板（17）将填充球床固定在装料桶（14）中；所述固态氧源补充部件工作时由固定法兰（9）带动滑杆（12）将装料桶（14）插入到液态铅铋流动管道的竖直管道装料腔（7）中，当高温的液态铅铋流过竖直管道装料腔（7）时将装料桶（14）中的氧化铅陶瓷小球溶解，氧化铅进入到下游液态铅铋系统，实现液态铅铋固态氧控氧离子交换的目的。
[0018]
如图3所示为本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器的固态氧源补充部件结构剖视图，图中固态氧源补充部件中装料桶（14）的装料桶上孔板（13）和装料桶下孔板（17）为开孔4 mm的滤板，用于固定装料桶（14）中的填充球床形状，氧化铅陶瓷小球（16）是液态铅铋系统的固态氧源，装料桶（14）填充氧化铝小球（15）和氧化铅陶瓷小球（16）时，需按照先填充氧化铝小球（15）、然后填充氧化铅陶瓷小球（16）、最后再填充氧化铝小球（15）的顺序，即氧化铅陶瓷小球（16）需在装料桶（14）中的填充球床中间位置，这是因为氧化铝小球（15）不溶于液态铅铋，氧化铝球床起到过滤作用，防止氧化铅陶瓷小球（16）溶解变小后进入液态铅铋系统内。
[0019]
流过氧化铅陶瓷小球（16）填充床的液态铅铋流量越大，溶解速率越大，当液态铅铋系统需要快速增氧时，可以增大电动阀门（5）的开度，增加流过竖直管道装料腔（7）和旁路管道（4）的液态铅铋流量。
[0020]
流过氧化铅陶瓷小球（16）填充床的液态铅铋温度越高，溶解速率越大，因此液态铅铋系统快速增氧还可以通过加热器（6）升高流过装料桶（14）的液态铅铋温度来完成。
[0021]
所述固态氧源补充部件不需要工作时，可以拧松与密封法兰（8）密封连接的固定法兰（9）上的卡套紧固件（11），然后提升滑杆（12）带动装料桶（14）向上移动到竖直管道隔离腔（19），此时，填充有氧化铝小球（15）和氧化铅陶瓷小球（16）的装料桶（14）离开液态铅铋流体，达到隔离作用，不需要打开固定法兰（9），有效防止环境对液态铅铋系统的污染。
[0022]
综上所述，本发明一种液态铅铋固态氧控氧离子交换器，避免了气态氧控存在的氧离子交换速率较慢、局部容易产生氧化物、有很大的产生气态放射性废物的潜在性等缺点，通过调节固态氧化铅陶瓷小球溶解速率，能够对液态铅铋系统进行快速增氧，是一项国际前沿的领先技术，具有高效的氧离子交换速率、快速的氧浓度调节、无氧化物残渣生成等诸多优点，相比于气态氧控来说具有很大的优越性。
[0023]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换也应视为本发明的保护范围。