隨著全球核能發展趨勢，國際上將核電站的發展分為四代。第一代核電站，是指上世紀50、60年代初期開發的核電站。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和建造的發電功率達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、核擴散可防止等優點。其中鉛基反應堆（LFR）由于其突出的優點成為第四代反應堆系統具有發展潛力的兩種堆型之一。鉛基反應堆使用鉛或者鉛鉍共晶合金（LBE）作為冷卻劑材料，且最早在前蘇聯開發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環境會發生液態金屬腐蝕（LMC）和液態金屬脆化（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。因此為了研究液態鉛鉍環境下結構材料的力學特性，亟需開發一種可模擬不同氧濃度高溫液態鉛鉍環境的力學試驗系統。
圖1 一到四代核反應堆發展及代表堆型
氧控方案
液態LBE控氧技術主要包括氣態控氧和固態控氧，其中氣態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LBE內部或覆蓋在表面，通過化學反應實現對氧濃度的控制。如圖3所示，另一種氣態控氧方式為在液態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LBE氧濃度達到目標值并穩定。第一種氣態控氧方式控氧速率較快，但是控氧精度較差且容易失控，第一種氣態控氧方式可以獲得穩定的氧濃度且波動較小，但時控氧時間較長。
圖2 第一種氣態控氧方式及控氧曲線
圖3 第二種氣態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中的關鍵部件，要求其在低濃度的氧含量范圍內準確地、穩定地測量，同時具有長期的運行穩定性。用于液態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電解質到低濃度的一側，于是會在固態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；F=96484.6C/mol，為法拉第常數；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，優先開發金屬-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、穩定性等方面綜合性能優異，基于以上原因，優先開發 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定性測試結果，測試結果誤差穩定在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；(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（臥式/立式），高溫液態LBE儲液系統，高溫液態鉛鉍試驗腔，氧控系統，高溫引伸計（臥式）/LVDT位移傳感器（立式），保溫系統以及支撐臺架。其中凱爾測控力學測試系統為測試主體，最大載荷50kN，最大試驗頻率15Hz。高溫液態LBE儲液系統儲液溫度可達550℃，最大儲液量15L，可進行液態鉛鉍氧濃度的預控制。高溫液態鉛鉍試驗腔單次試驗僅需1.5L液態鉛鉍，氧控系統包含氧傳感器及配套氣瓶以及控制系統，可實現動態精確控氧氣，誤差可控制在2mV以內。根據氧濃度需求，高溫液態鉛鉍試驗腔可分為氧飽和液態鉛鉍試驗腔體、貧氧液態鉛鉍試驗腔以及控氧液態鉛鉍試驗腔體。保溫系統控溫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℃氧飽和液態鉛鉍試驗環境下使用，精度達到0.002mm，且配套有特制的固定移動裝置，圖7為高溫液態鉛鉍環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。貧氧液態鉛鉍試驗腔以及控氧液態鉛鉍試驗腔體通過數字圖像技術（DIC）進行應變測量。
臥式試驗裝置方便裝夾高溫引伸計且節省鉛鉍，立式試驗裝置節省占地面積，集成度較高，可根據需要設計臥式或立式結構。
圖7高溫液態金屬環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從事開發、生產、銷售各類力學試驗系統的國家高新技術企業，自2008年成立以來一直致力于發展新的測試方法。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，持續在航空、航天、核電等關鍵領域進行技術研發與投入。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、原位力學試驗系統、原位雙軸力學試驗系統、拉扭多軸疲勞試驗機等測試系統打破國外設備的壟斷。憑借著過硬的技術、性能優良的產品和專業妥善的服務，凱爾測控贏得了眾多用戶的信賴。
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