高溫液態(tài)鉛鉍合金氧傳感器研制與實驗研究.pdf

1、鉛鉍共晶合金(LBE)因具有良好的熱物理和化學性質(zhì)等而成為加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)散裂靶和冷卻劑的候選材料，但LBE與結(jié)構(gòu)材料的相容性、氧化物雜質(zhì)生成而堵塞管道等是制約其在核能系統(tǒng)中應用的一些關鍵問題。已有研究顯示，LBE中的溶解氧濃度要控制在Fe3O4和PbO生成之間的特定范圍內(nèi)。對氧濃度的準確測量是對其精確控制的前提，因而氧傳感器是近年來LBE相關領域研究熱點之一。基于這一研究背景，本文開展了氧傳感器的研制工作，并對氧傳感器信號的準確性

2、、響應性和穩(wěn)定性等性能特征進行了實驗研究，主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　1.根據(jù)原電池原理，借鑒同類氧傳感器的研究經(jīng)驗，先后提出了法蘭式接口和卡套式接口氧傳感器兩個結(jié)構(gòu)設計方案，以氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)為固體電解質(zhì)，組裝了系列Bi/Bi2O3和Pt/air參比電極氧傳感器以作為后續(xù)的實驗研究對象。通過設計改進，卡套式方案具備組裝工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊和尺寸可調(diào)范圍大等特點。
　　2.在靜態(tài)氧飽和LBE中進行了氧傳感器的校準實

3、驗，結(jié)果表明溫度高于400℃后傳感器的輸出電動勢（EMF）與理論值趨于一致，絕對誤差在±5mV范圍內(nèi);互校實驗結(jié)果表明，分別根據(jù)兩個實驗氧傳感器的EMF計算得出的氧濃度在隨溫度變化的過程中相互一致;校準及互校實驗結(jié)果說明氧傳感器信號的準確性能良好。在信號準確性影響因素分析中，首次提出了由環(huán)流電流引起的LBE中氧遷移模型，以解釋不同參比電極氧傳感器在LBE中的不同浸沒深度對傳感器測量結(jié)果準確性的影響;在本實驗所采用的特定氣體流量范圍內(nèi)，氣

4、體擾動對氧傳感器信號的準確性影響較小。
　　3.分別開展了氧傳感器隨鉛鉍溫度、注入氣體組分變化的信號響應性測試，結(jié)果顯示傳感器隨上述條件的變化均有較快的響應性。在信號響應性影響因素分析中，觀察到起始變化的LBE溫度越高、傳感器響應越快的現(xiàn)象;首次開展了不同YSZ管壁厚實驗，且在本實驗參數(shù)下，隨著YSZ管壁厚增大，在升溫過程中觀察到響應時間延長的現(xiàn)象，在降溫過程中溫度的變化速率快，與溫度變化對響應性的影響相比，不同壁厚YSZ管中的氧

5、遷移時間對響應性的影響不明顯。
　　4.Bi/Bi2O3和Pt/air氧傳感器在靜態(tài)氧飽和LBE中均顯示出了較好的信號穩(wěn)定性;以卡爾斯魯厄理工學院的氧傳感器為參考，目前自主研制的Pt/air氧傳感器在動態(tài)LBE回路中穩(wěn)定可靠工作時間超過100h。另外，共存相參比電極與外界的密封性將會影響參比體系的化學平衡，進而對氧傳感器的正常穩(wěn)定工作產(chǎn)生影響。SEM和EDX結(jié)果顯示YSZ在480℃、流速0.3m/s、氧濃度10-6wt％的LBE中