技术领域
[0001] 本
发明属于反应堆系统部件设计技术领域，具体涉及一种用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置、方法、反应堆系统。
背景技术
[0002] 以铅基冷却剂为代表的重金属冷却反应堆，具有
热膨胀性能良好，自然循环能
力强等优势，第四代核能系统国际论坛(GIF)也将
铅冷快堆作为其提出的六种堆型之一。前苏联的阿尔法级核潜艇，使用铅冷快堆作为动力，但由于当时研究不足，液态铅铋冷却剂对反应堆系统的
腐蚀和溶解带来了一系列严重问题，逐渐累积的杂质阻塞了反应堆冷却剂流道，影响了反应堆的安全性，最终只能退役。后续研究发现，当
钢制材料与铅基冷却剂长时间
接触时，材料中的
铁、铬、镍等元素会逐渐溶解于铅基冷却剂当中，铅基冷却剂的流动冲刷过程也会对结构材料造成腐蚀。
[0003] 为了保证铅冷反应堆的安全，需要采取措施降低冷却剂对反应堆结构材料的腐蚀作用，目前研究的方向主要集中在结构材料表面涂层技术和铅基冷却剂氧控技术两个方面。结构材料表面涂层技术的发展与应用受制于材料学的研究，铅基冷却剂氧控技术的主要原理是：利用铅基冷却剂中的溶解氧，在结构材料表面形成一层致密的氧化物层，金属氧化物在冷却剂中的
溶解度很低，因此可以保护结构材料不被铅基冷却剂所腐蚀，保证结构材料的使用寿命和结构强度。当铅基冷却剂中的氧浓度过低时，不利于结构材料表面氧化层的保持；当铅基冷却剂中的氧浓度过高时，结构材料表面的氧化层可能会剥落进入铅基冷却剂，同时铅基冷却剂中也会生成氧化铅(PbO)，这些产物杂质可能在冷却剂循环系统中逐渐沉积，堵塞流道造成安全隐患。因此，需要严格控制冷却剂系统中的氧浓度，保证其处于合理的区间内，使得结构材料表面的氧化膜稳定存在，同时不在铅基冷却剂中生成过多阻塞流道的氧化物杂质。
[0004] 国际国内已经开展了铅基冷却剂氧控技术的相关研究，并取得了一定的成果。现阶段实现冷却剂氧控的方法主要有气相氧控技术和固相氧控技术。气相氧控技术控制不够稳定，可能产生氧浓度的
波动。固相氧控技术回路中的
质量交换器无法在使用过程中更换或维修。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对
现有技术中存在的上述不足，提供一种用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置、方法、反应堆系统，同时利用固相氧控技术和气相氧控技术进行氧浓度控制，气相氧控技术用于降低铅基冷却剂中的氧浓度，工程易实现，同时可以
净化铅基冷却剂，固相氧控技术用于提升铅基冷却剂中的氧浓度，响应速度快，不会产生额外的氧化物杂质，两种技术同时使用扬长避短。
[0006] 解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置，包括：氧浓度检测器，设置于铅基冷却剂反应堆的反应堆主容器内，反应堆主容器用于盛放铅基冷却剂，氧浓度检测器用于检测反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度并发送给
控制器；
[0007]
热电偶，用于测量反应堆主容器内的铅基冷却剂的
温度并发送给控制器；
[0008] 第一
贮存罐，与反应堆主容器连接，第一贮存罐用于贮存氢气与惰性气体的混合气体，第一贮存罐内的混合气体用于通入反应堆主容器内降低铅基冷却剂中的氧浓度；
[0009] 第一管道，设置于第一贮存罐与反应堆主容器之间，第一管道分别与第一贮存罐、反应堆主容器连接；
[0011] 第二贮存罐，与反应堆主容器连接，第二贮存罐用于贮存氧化铅和铅基冷却剂，第二贮存罐内的氧化铅和铅基冷却剂用于通入反应堆主容器内提升铅基冷却剂中的氧浓度；
[0012] 加热器，用于对第二贮存罐加热；
[0013] 第二管道，设置于第二贮存罐与反应堆主容器之间，第二管道分别与第二贮存罐、反应堆主容器连接；
[0014] 第二阀门，设置于第二管道上；
[0015] 控制器，用于根据接收到的氧浓度检测器发送的氧气浓度
信号和热电偶测得的铅基冷却剂的温度信号，来控制第一阀门、第二阀门，调节反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度。
[0016] 优选的是，惰性气体为氩气。
[0017] 本发明还提供一种使用上述的氧控装置的氧控方法，包括以下步骤：
[0018] 氧浓度检测器检测反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度并发送给控制器；
[0019] 控制器根据接收到的氧浓度检测器发送的氧气浓度信号和热电偶测得的铅基冷却剂的温度信号控制第一阀门、第二阀门，通过第一阀门进行气相氧控，通过第二阀门进行固相氧控，调节反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度。
[0020] 优选的是，根据反应堆结构材料在铅基冷却剂中的抗腐蚀性能和溶解特性，以及反应堆的热工
水力参数预设控制器内存储的铅基冷却剂的氧气浓度。
[0021] 优选的是，预设的铅基冷却剂的浓度为其中，T为温度，
wO,max为氧离子的最高质量占比，wO,min为氧离子的最低质量占比，CFe为相应温度下铁在
流体当中的溶解度。
[0022] 优选的是，所述步骤控制器根据接收到的氧浓度检测器发送的氧气浓度信号和热电偶发送的铅基冷却剂的温度信号，来控制第二阀门，调节反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度具体为：
[0023] 当控制器接收到的氧气浓度低于预设的氧气浓度值，则控制器控制第二阀门打开，将溶解有氧化铅的铅基冷却剂通入到反应堆主容器内，直至控制器接收到的氧气浓度上升至预设的氧气浓度值，控制器控制关闭第二阀门。
[0024] 优选的是，所述步骤控制器根据接收到的氧浓度检测器发送的氧气浓度信号和热电偶发送的铅基冷却剂的温度信号，来控制第一阀门，调节反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度具体为：
[0025] 当控制器接收到的氧气浓度高于预设的氧气浓度值，则控制器控制第一阀门打开，将第一贮存罐中的氢气与惰性气体的混合气体通入到反应堆主容器内，直至控制器接收到的氧气浓度下降至预设的氧气浓度值，控制器控制关闭第一阀门。
[0026] 优选的是，第一贮存罐中的氢气与惰性气体的混合气体中，氢气的体积分数为3～5％。
[0027] 优选的是，加热器对于第二贮存罐的加热温度为400～600K。
[0028] 本发明还提供一种铅基冷却剂反应堆系统，包括：用于盛放铅基冷却剂的反应堆主容器，与反应堆主容器连接的上述用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置。
[0029] 本发明中的用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置、方法、反应堆系统具有以下突出优势：(1)同时利用气相氧控技术和固相氧控技术，充分利用不同氧控方式的优势，提高控制的可靠性，气相氧控技术用于降低铅基冷却剂中的氧浓度，工程易实现，同时可以净化铅基冷却剂，固相氧控技术用于提升铅基冷却剂中的氧浓度，响应速度快，不会产生额外的氧化物杂质，从多重
角度保证了反应堆冷却剂的氧浓度处在合理区间；(2)固相氧控技术氧浓度调节的最终产物是铅和水，铅为重金属反应堆的冷却剂，可继续使用，水在反应堆运行的常压高温工况条件下以气态形式存在，且
密度小于铅基冷却剂，可以直接以水蒸气的形式从反应堆主容器上部的排气管导出，不会由于氧浓度的调节引入新的杂质；(3)氧控装置的添加和使用，精确控制铅基冷却剂中的氧浓度，减缓重金属冷却剂对反应堆结构材料的腐蚀和溶解速率，降低了反应堆系统的除杂检修难度，提高了反应堆系统运行时的安全性和可靠性。
附图说明
[0030] 图1是本发明
实施例2中的铅基冷却剂反应堆的氧控装置、铅基冷却剂反应堆系统的结构示意图。
[0031] 图中：1-氧浓度检测器；2-反应堆主容器；3-第一贮存罐；4-第一管道；5-第一阀门；6-第二贮存罐；7-加热器；8-第二管道；9-第二阀门；10-控制器；11-
信号传输线路；12-热电偶。
具体实施方式
[0032] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0033] 下面详细描述本
专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
[0034] 实施例1
[0035] 本实施例提供一种用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置，包括：氧浓度检测器，设置于铅基冷却剂反应堆的反应堆主容器内，反应堆主容器用于盛放铅基冷却剂，氧浓度检测器用于检测反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度并发送给控制器；
[0036] 热电偶，用于测量反应堆主容器内的铅基冷却剂的温度并发送给控制器；
[0037] 第一贮存罐，与反应堆主容器连接，第一贮存罐用于贮存氢气与惰性气体的混合气体，第一贮存罐内的混合气体用于通入反应堆主容器内降低铅基冷却剂中的氧浓度；
[0038] 第一管道，设置于第一贮存罐与反应堆主容器之间，第一管道分别与第一贮存罐、反应堆主容器连接；
[0039] 第一阀门，设置于第一管道上；
[0040] 第二贮存罐，与反应堆主容器连接，第二贮存罐用于贮存氧化铅和铅基冷却剂，第二贮存罐内的氧化铅和铅基冷却剂用于通入反应堆主容器内提升铅基冷却剂中的氧浓度；
[0041] 加热器，用于对第二贮存罐加热；
[0042] 第二管道，设置于第二贮存罐与反应堆主容器之间，第二管道分别与第二贮存罐、反应堆主容器连接；
[0043] 第二阀门，设置于第二管道上；
[0044] 控制器，用于根据接收到的氧浓度检测器发送的氧气浓度信号和热电偶测得的铅基冷却剂的温度信号，来控制第一阀门、第二阀门，调节反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度。
[0045] 本实施例还提供一种使用上述的氧控装置的氧控方法，包括以下步骤：
[0046] 氧浓度检测器检测反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度并发送给控制器；
[0047] 控制器根据接收到的氧浓度检测器发送的氧气浓度信号和热电偶测得的铅基冷却剂的温度信号控制第一阀门、第二阀门，通过第一阀门进行气相氧控，通过第二阀门进行固相氧控，调节反应堆主容器内的铅基冷却剂的氧气浓度。
[0048] 本实施例中的用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置、方法具有以下突出优势：(1)同时利用气相氧控技术和固相氧控技术，充分利用不同氧控方式的优势，提高控制的可靠性，气相氧控技术用于降低铅基冷却剂中的氧浓度，工程易实现，同时可以净化铅基冷却剂，固相氧控技术用于提升铅基冷却剂中的氧浓度，响应速度快，不会产生额外的氧化物杂质，从多重角度保证了反应堆冷却剂的氧浓度处在合理区间；(2)固相氧控技术氧浓度调节的最终产物是铅和水，铅为重金属反应堆的冷却剂，可继续使用，水在反应堆运行的常压高温工况条件下以气态形式存在，且密度小于铅基冷却剂，可以直接以水蒸气的形式从反应堆主容器上部的排气管导出，不会由于氧浓度的调节引入新的杂质；(3)氧控装置的添加和使用，精确控制铅基冷却剂中的氧浓度，减缓重金属冷却剂对反应堆结构材料的腐蚀和溶解速率，降低了反应堆系统的除杂检修难度，提高了反应堆系统运行时的安全性和可靠性。
[0049] 实施例2
[0050] 如图1所示，本实施例提供一种用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置，包括：氧浓度检测器1，设置于铅基冷却剂反应堆的反应堆主容器2内，反应堆主容器2用于盛放铅基冷却剂，氧浓度检测器1用于检测反应堆主容器2内的铅基冷却剂的氧气浓度并发送给控制器10；具体的，本实施例中的氧浓度检测器1为氧浓度
传感器；
[0051] 热电偶12，用于测量反应堆主容器2内的铅基冷却剂的温度并发送给控制器10；
[0052] 第一贮存罐3，与反应堆主容器2连接，第一贮存罐3用于贮存氢气与惰性气体的混合气体，第一贮存罐3内的混合气体用于通入反应堆主容器2内降低铅基冷却剂中的氧浓度；
[0053] 第一管道4，设置于第一贮存罐3与反应堆主容器2之间，
[0054] 第一管道4分别与第一贮存罐3、反应堆主容器2连接；
[0055] 第一阀门5，设置于第一管道4上；
[0056] 第二贮存罐6，与反应堆主容器2连接，第二贮存罐6用于贮存氧化铅和铅基冷却剂，第二贮存罐6内的氧化铅和铅基冷却剂用于通入反应堆主容器2内提升铅基冷却剂中的氧浓度；
[0057] 加热器7，用于对第二贮存罐6加热；第二贮存罐6内装有氧化铅颗粒，浸没在铅基冷却剂当中，铅基冷却剂的温度可由加热器7的加热功率进行调节，改变铅基冷却剂的温度，进而影响氧化铅的溶解度，当溶解度增加时，固态氧化铅溶解进入铅基冷却剂中，当溶解度降低时，铅基冷却剂中溶解的氧化铅在氧化铅颗粒表面附着析出，控制氧化铅在铅基冷却剂中的溶解和析出，实现对注入的铅基冷却剂中氧浓度的控制；具体的，本实施例中的加热器7设置于第二贮存罐6外对其进行加热；
[0058] 第二管道8，设置于第二贮存罐6与反应堆主容器2之间，第二管道8分别与第二贮存罐6、反应堆主容器2连接；
[0059] 第二阀门9，设置于第二管道8上；
[0060] 控制器10，用于根据接收到的氧浓度检测器1发送的氧气浓度信号和热电偶12测得的铅基冷却剂的温度信号，来控制第一阀门5、第二阀门9，调节反应堆主容器2内的铅基冷却剂的氧气浓度。
[0061] 需要说明的是，本实施例中的惰性气体为氩气。
[0062] 具体的，本实施例中的氧浓度检测器1通过信号传输线路11与控制器10连接，氧浓度检测器1通过信号传输线路11将其检测到的氧气浓度信号发送给控制器10。
[0063] 本实施例还提供一种使用上述的氧控装置的氧控方法，包括以下步骤：
[0064] (1)根据反应堆结构材料在铅基冷却剂中的抗腐蚀性能和溶解特性，以及反应堆的热工水力参数预设控制器10内存储的结构材料腐蚀和溶解速率尽可能低的铅基冷却剂的氧气浓度；预设的铅基冷却剂的浓度为其中，T为温度，wO,max为氧离子的最高质量占比，wO,min为氧离子
的最低质量占比，CFe为相应温度下铁在流体当中的溶解度。
[0065] (2)当反应堆处于功率运行状态时，氧浓度检测器1对反应堆内的铅基冷却剂的氧浓度进行监测，氧浓度检测器1检测反应堆主容器2内的铅基冷却剂的氧气浓度并发送给控制器10；
[0066] (3)控制器10根据接收到的氧浓度检测器1发送的氧气浓度信号和热电偶12发送的温度信号控制第一阀门5、第二阀门9，通过第一阀门5进行气相氧控，通过第二阀门9进行固相氧控，调节反应堆主容器2内的铅基冷却剂的氧气浓度：
[0067] 当控制器10接收到的氧气浓度低于预设的氧气浓度值，则控制器10控制第二阀门9打开，控制流量。第二贮存罐6内装有氧化铅颗粒，浸没在铅基冷却剂当中，铅基冷却剂的温度可由加热器7的加热功率进行调节，改变铅基冷却剂的温度，进而影响氧化铅的溶解度，当溶解度增加时，固态氧化铅溶解进入铅基冷却剂中，当溶解度降低时，铅基冷却剂中溶解的氧化铅在氧化铅颗粒表面附着析出，控制氧化铅在铅基冷却剂中的溶解和析出，实现对注入的铅基冷却剂中氧浓度的控制。加热器7对于第二贮存罐6的加热温度为400～
600K，第二阀门9以一定流量开启，将溶解有氧化铅的铅基冷却剂通入到反应堆主容器2内，提升反应堆主容器2中的铅基冷却剂中的氧浓度，直至控制器10接收到的氧气浓度上升至预设的氧气浓度值，控制器10控制关闭第二阀门9。反应堆主容器2内的铅基冷却剂中的氧浓度在预设合理区间时，第二阀门9处于关闭状态。
[0068] 当控制器10接收到的氧气浓度高于预设的氧气浓度值，则控制器10控制第一阀门5打开，控制流量，将第一贮存罐3中的氢气与惰性气体的混合气体通入到反应堆主容器2内，其中，第一贮存罐3中的氢气与惰性气体的混合气体中，氢气的体积分数为3～5％，该体积分数既能保证迅速降低铅基冷却剂中的氧浓度，同时排除了氢气燃烧和爆炸的隐患，混合气体中的氢气可以降低反应堆主容器2中的铅基冷却剂中的氧浓度，直至控制器10接收到的氧气浓度下降至预设的氧气浓度值，控制器10控制关闭第一阀门5。反应堆主容器2内的铅基冷却剂中的氧浓度在预设合理区间时，第一阀门5处于关闭状态。
[0069] 如图1所示，本实施例还提供一种铅基冷却剂反应堆系统，包括：用于盛放铅基冷却剂的反应堆主容器2，与反应堆主容器2连接的上述用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置。
[0070] 本实施例中的用于铅基冷却剂反应堆的氧控装置、方法、反应堆系统具有以下突出优势：(1)同时利用气相氧控技术和固相氧控技术，充分利用不同氧控方式的优势，扬长避短，提高控制的可靠性，气相氧控技术用于降低铅基冷却剂中的氧浓度，惰性气体使得混合气体中的氢气不会发生燃烧或爆炸，提升了系统设备的安全性，工程易实现，同时可以净化铅基冷却剂，固相氧控技术用于提升铅基冷却剂中的氧浓度，响应速度快，不会产生额外的氧化物杂质，从多重角度保证了反应堆冷却剂的氧浓度处在合理区间；(2)固相氧控技术氧浓度调节的最终产物是铅和水，铅为重金属反应堆的冷却剂，可继续使用，水在反应堆运行的常压高温工况条件下以气态形式存在，且密度小于铅基冷却剂，可以直接以水蒸气的形式从反应堆主容器2上部的排气管导出，不会由于氧浓度的调节引入新的杂质；(3)氧控装置的添加和使用，精确控制铅基冷却剂中的氧浓度，减缓重金属冷却剂对反应堆结构材料的腐蚀和溶解速率，降低了反应堆系统的除杂检修难度，提高了反应堆系统运行时的安全性和可靠性。
[0071] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
