一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置，其由液態(tài)金屬閥門、液態(tài)金屬流量計(jì)、氣液質(zhì)量交換室、固相氧源質(zhì)量交換器、液位計(jì)、液態(tài)金屬U型流道、測氧儀等部件組成。它通過每個(gè)位置測氧儀探測到的氧濃度變化時(shí)間步長與已知宏觀擴(kuò)散自由程，結(jié)合該位置相應(yīng)的氧濃度數(shù)值，通過斐克擴(kuò)散定律獲得氧在液態(tài)重金屬中的質(zhì)量擴(kuò)散率與飽和態(tài)的演化機(jī)制，獲得氧遷移速率本發(fā)明專利技術(shù)同步實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)下氧在液態(tài)重金屬中遷移速率測量及不同流速和溫度工況下液態(tài)重金屬中氧遷移速率的測量。同時(shí)氣液質(zhì)量交換器與固液質(zhì)量交換器集成在同一裝置上，通過簡單的轉(zhuǎn)換操作即能夠?qū)崿F(xiàn)氣液交換反應(yīng)與固液交換反應(yīng)切換。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置
本專利技術(shù)涉及一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置，特別涉及一種用于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆(ADS)中氧控制技術(shù)的預(yù)研裝置，為未來ADS反應(yīng)堆的氧控技術(shù)提供簡單易行的研究平臺(tái)和技術(shù)儲(chǔ)備。
技術(shù)介紹
液態(tài)鉛鉍合金LBE(Leadbismutheutectic)是加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)中散裂靶的首選材料和先進(jìn)快堆的冷卻劑重要候選材料。由于液態(tài)鉛鉍特殊的熱物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，例如低熔點(diǎn)(123.5℃)，高沸點(diǎn)(1670℃)，高熱導(dǎo)率，低蒸汽壓并且與空氣和水沒有劇烈的反應(yīng)等，液態(tài)鉛鉍目前作為ADS散裂靶和先進(jìn)快堆的冷卻劑在世界范圍內(nèi)廣泛研究。由于鉛鉍合金特殊的物理化學(xué)特性，在ADS系統(tǒng)鉛鉍冷卻反應(yīng)堆商業(yè)化應(yīng)用之前必須深入研究鉛鉍合金的關(guān)鍵科學(xué)問題。液態(tài)鉛鉍高速流動(dòng)腐蝕會(huì)導(dǎo)致材料成分結(jié)構(gòu)變化，致使材料性能下降，影響反應(yīng)堆的安全性和壽命，因此液態(tài)鉛鉍對(duì)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕是先進(jìn)核反應(yīng)堆亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。國際上針對(duì)提高材料耐蝕性開展了廣泛研究，其中合理控制液態(tài)鉛鉍合金中的氧濃度，以期在結(jié)構(gòu)材料表面生成結(jié)構(gòu)致密、且粘附性強(qiáng)、可阻擋組分元素?cái)U(kuò)散溶解的氧化層，從而對(duì)鉛鉍堆及靶等結(jié)構(gòu)材料起保護(hù)作用以提高材料耐蝕性。合理控制鉛鉍合金中的氧濃度是影響結(jié)構(gòu)材料在液態(tài)鉛鉍中腐蝕行為的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。液態(tài)鉛鉍中溶解氧的活性范圍控制是目前國際上研究的熱點(diǎn)之一，氧濃度過高不僅會(huì)造成結(jié)構(gòu)材料的氧化腐蝕，減少使用壽命，也同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致氧化鉛雜質(zhì)的生成，造成主冷卻劑鉛鉍流道的阻塞，影響堆的穩(wěn)定運(yùn)行。反之，氧濃度過低也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料部分高溶解度的金屬元素組分在液態(tài)重金屬機(jī)械沖刷作用下的溶解，造成結(jié)構(gòu)材料的嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致管壁減薄而承壓等能力下降。因此，鉛鉍中氧含量的精確測量與控制是提高結(jié)構(gòu)材料耐蝕性的重要手段，需要開展深入的機(jī)理探索和技術(shù)研究。已有的研究主要是基于腐蝕實(shí)驗(yàn)的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氧濃度控制在合理的范圍內(nèi)即可，沒有對(duì)大型鉛鉍裝置中整個(gè)鉛鉍系統(tǒng)的氧濃度均勻性開展研究。要研究整個(gè)鉛鉍系統(tǒng)氧濃度均勻性，需掌握氧在鉛鉍中的擴(kuò)散與遷移，本專利技術(shù)正是基于此需求，專利技術(shù)一種液態(tài)重金屬中氧遷移速率測量裝置，為研究大型鉛鉍裝置中整個(gè)鉛鉍系統(tǒng)氧濃度均勻性提供理論指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)支持。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是：提供一種安全性好、且結(jié)構(gòu)簡單、便于操作的適用于實(shí)現(xiàn)液態(tài)重金屬中氧遷移速率的實(shí)驗(yàn)裝置。本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：一種液態(tài)重金屬中氧遷移速率測量裝置，包括：液態(tài)金屬閥門、液態(tài)金屬流量計(jì)、氣液質(zhì)量交換室、固相氧源質(zhì)量交換器、液位計(jì)、測氧儀和U型流道；所述氣液質(zhì)量交換室與外界氣源(氧源)連通，實(shí)現(xiàn)氣液交換反應(yīng)；當(dāng)氣液質(zhì)量交換室中氣氛為惰性氣體，將固相氧源質(zhì)量交換器伸入液態(tài)重金屬中，實(shí)現(xiàn)固液交換反應(yīng)；反應(yīng)中氧溶解至液態(tài)重金屬中擴(kuò)散后被不同位置測氧儀探測到，結(jié)合相應(yīng)的位置和氧濃度信息，能夠推測氧在液態(tài)金屬中的遷移速率，此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氣液交換和固液交換反應(yīng)過程中氧在液態(tài)金屬中遷移速率的測量。其中，所述質(zhì)量交換器第一部分為氣液質(zhì)量交換室通過金屬管道及氣體閥門與外界氣源(氧源)連接，下端與U型流道連通，氣相氧源與液態(tài)重金屬直接反應(yīng)；另一部分固相氧源質(zhì)量交換器，上端通過伸縮波紋管與法蘭相連，下端同樣與U型流道連通，通過調(diào)節(jié)波紋管實(shí)現(xiàn)固相氧源與液態(tài)重金屬發(fā)生質(zhì)量交換反應(yīng)。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)本專利技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，安全性好，易于實(shí)現(xiàn)和操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣液交換和固液交換反應(yīng)過程中氧液態(tài)金屬中遷移速率的測量，普遍用于液態(tài)金屬中物質(zhì)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究。(2)氣液質(zhì)量交換室與固液質(zhì)量交換器集成在同一裝置上，通過簡單的轉(zhuǎn)換操作即能夠?qū)崿F(xiàn)氣液交換反應(yīng)與固液交換反應(yīng)切換。(3)該裝置采用緊密堆積式U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)現(xiàn)了在較小的空間內(nèi)多點(diǎn)測量獲得氧在長距離條件下的遷移與輸運(yùn)，長程內(nèi)多點(diǎn)測量有利于提高探測氧在液態(tài)金屬中遷移速率的精度。附圖說明圖1為本專利技術(shù)一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為液態(tài)金屬閥門、2為液態(tài)金屬流量計(jì)、3為氣液質(zhì)量交換室、4為固相氧源質(zhì)量交換器、5為液位計(jì)、6為測氧儀、7為U型流道。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本專利技術(shù)。如圖1所示，本專利技術(shù)一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置，包括液態(tài)金屬閥門1、液態(tài)金屬流量計(jì)2、氣液質(zhì)量交換室3、固相氧源質(zhì)量交換器4、液位計(jì)5、測氧儀6、U型流道7。首先兩端液態(tài)金屬閥門1和氣體閥門關(guān)閉，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行多次抽真空和氬氣置換后，將整個(gè)裝置充微正壓保護(hù)(高純氬氣)，通過伴熱系統(tǒng)將整個(gè)裝置預(yù)熱至300℃，緩慢打開液態(tài)金屬閥門1，將循環(huán)系統(tǒng)中鉛鉍部分注入到該裝置中，待液位計(jì)5探測到液位信號(hào)后，關(guān)閉液態(tài)金屬閥門1，將氣液質(zhì)量交換室3中的氣體壓力調(diào)整至一個(gè)大氣壓。氣液交換反應(yīng)時(shí)，將氣體氧源打開充至氣液質(zhì)量交換室3，壓力至兩個(gè)大氣壓，監(jiān)測各測氧儀信號(hào)變換，通過數(shù)據(jù)采集與分析后得到氣液交換反應(yīng)時(shí)氧在液態(tài)金屬中遷移速率。固液交換反應(yīng)時(shí)，氣液質(zhì)量交換室3中的氣氛是高純氬氣(惰性氣氛)，調(diào)節(jié)固相氧源質(zhì)量交換器4上端的波紋管，將固相氧源質(zhì)量交換器4浸沒至液態(tài)鉛鉍中發(fā)生固液交換反應(yīng)，同樣監(jiān)測各測氧儀信號(hào)變換，通過數(shù)據(jù)采集與分析后得到氣液交換反應(yīng)時(shí)氧在液態(tài)金屬中遷移速率。通過調(diào)伴熱系統(tǒng)的溫度實(shí)現(xiàn)不同溫度工況下靜態(tài)鉛鉍中氧遷移速率的測量。鉛鉍注入該裝置后，打開后端的液態(tài)金屬閥門1，讓整個(gè)裝置內(nèi)的鉛鉍，與循環(huán)系統(tǒng)一起運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)工況下氣液/固液交換反應(yīng)時(shí)氧遷移速率的測量，通過調(diào)節(jié)液態(tài)金屬閥門1的開度實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，同時(shí)控制流入該裝置的液態(tài)鉛鉍的溫度實(shí)現(xiàn)不同溫度工況下氧在液態(tài)金屬中遷移速率的測量。本專利技術(shù)未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。且以上所述，僅為本專利技術(shù)中的具體實(shí)施方式，但本專利技術(shù)的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本專利技術(shù)所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本專利技術(shù)的包含范圍之內(nèi)，因此，本專利技術(shù)的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置，其特征在于包括：液態(tài)金屬閥門(1)、液態(tài)金屬流量計(jì)(2)、氣液質(zhì)量交換室(3)、固相氧源質(zhì)量交換器(4)、液位計(jì)(5)、測氧儀(6)和U型流道(7)；所述氣液質(zhì)量交換室(3)與外界氣源(氧源)連通，實(shí)現(xiàn)氣液交換反應(yīng)；當(dāng)氣液質(zhì)量交換室(3)中氣氛為惰性氣體，將固相氧源質(zhì)量交換器(4)伸入液態(tài)重金屬中，實(shí)現(xiàn)固液交換反應(yīng)；反應(yīng)中氧溶解至液態(tài)重金屬中擴(kuò)散后被不同位置測氧儀探測到，結(jié)合相應(yīng)的位置和氧濃度信息，能夠推測氧的遷移速率，此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氣液交換和固液交換反應(yīng)過程中氧遷移速率的測量。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種液態(tài)金屬中氧遷移速率測量裝置，其特征在于，該測量裝置包括：液態(tài)金屬閥門(1)、液態(tài)金屬流量計(jì)(2)、氣液質(zhì)量交換室(3)、固相氧源質(zhì)量交換器(4)、液位計(jì)(5)、測氧儀(6)和U型流道(7)；所述氣液質(zhì)量交換室(3)與外界氣源連通，實(shí)現(xiàn)氣液交換反應(yīng)；當(dāng)氣液質(zhì)量交換室(3)中氣氛為惰性氣體，將固相氧源質(zhì)量交換器(4)伸入液態(tài)重金屬中，實(shí)現(xiàn)固液交換反應(yīng)；反應(yīng)中氧溶解至液態(tài)重金屬中擴(kuò)散后被不同位置測氧儀探測到，結(jié)合相應(yīng)的位置和氧濃度信息，能夠推測氧在液態(tài)金屬中的遷移速率，此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氣液交換和固液交換反應(yīng)過程中液態(tài)金屬中氧遷移速率的測量；氣液質(zhì)量交換室(3)通過金屬管道及氣體閥門與外界氣源連接，下端與U型流道(7)連通，氣相氧源與液態(tài)重金屬直接反應(yīng)；固相氧源質(zhì)量交換器(4)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳斌，陳劉利，張敏，武欣，高勝，黃群英，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽;34