華北電力大學(xué)先進(jìn)堆關(guān)鍵技術(shù)研究室(NCEPU ART Lab)成員梁瑞先，在Annals of Nuclear Energy發(fā)表題為"Annals of Nuclear Energy"的文章。該文章氧傳感器是用于液態(tài)鉛鉍共晶(LBE)體系的活性氧控制系統(tǒng)(OCS)的主要組成部分。在靜態(tài)氧飽和LBE中，采用LSCF(鑭鍶鈷鐵氧體)/空氣參比電極，利用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)固體電解質(zhì)傳感器測(cè)量電動(dòng)勢(shì)(EMF)，得到電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系。氧傳感器的電動(dòng)勢(shì)輸出是確定的和可預(yù)測(cè)的。

在本研究中，氧傳感器采用LSCF作為參比電極材料，YSZ作為固體電解質(zhì)。將LSCF/空氣氧傳感器應(yīng)用于液體LBE回路，并評(píng)價(jià)其性能。

實(shí)驗(yàn)原理

氧傳感器的工作原理如圖1所示，YSZ作為探頭插入液體LBE中，LBE必須浸入YSZ的高度對(duì)應(yīng)于含有參比電極粉末的內(nèi)表面部分。

圖1氧傳感器原理圖

試驗(yàn)設(shè)備為強(qiáng)制循環(huán)回路，稱為UPBEAT回路。UPBEAT回路用于進(jìn)行氧氣控制，材料和熱工實(shí)驗(yàn)。管道和容器的材料都是316L不銹鋼鋼。設(shè)備主要包括LBE儲(chǔ)罐、電磁泵、永磁電磁流量計(jì)和膨脹罐。回路管上設(shè)置有熱段加熱器和冷段散熱器，如圖2所示。

圖2 UPBEAT回路原理圖

圖3 UPBEAT回路內(nèi)部圖

氧傳感器性能的測(cè)試

氧傳感器物理示意圖如圖3(a)所示，傳感器在膨脹罐中的安裝位置如圖3(b)所示。膨脹罐上方設(shè)有若干安裝孔。傳感器從安裝孔插入膨脹罐內(nèi)的液體LBE，并通過(guò)密封法蘭連接。

圖4氧傳感器結(jié)構(gòu)及安裝位置

結(jié)果分析

對(duì)氧傳感器#3(LSCF/空氣參比)和氧傳感器#10(LSM/空氣參比)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)溫度從500℃逐漸降低到350℃，溫度階梯為50℃，同時(shí)采集兩個(gè)傳感器的電勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。紅色曲線為3號(hào)氧傳感器的電動(dòng)勢(shì)，藍(lán)色曲線為10號(hào)氧傳感器的電動(dòng)勢(shì)。

這兩條電動(dòng)勢(shì)曲線基本重合。結(jié)果表明，兩種傳感器測(cè)得的從空氣到LBE的電化學(xué)氧勢(shì)相同，證明了LSCF/空氣傳感器的可靠性。

圖5氧飽和LBE下的校準(zhǔn)試驗(yàn)

分別對(duì)傳感器4、傳感器7、傳感器8和傳感器9在氧飽和LBE下進(jìn)行低溫試驗(yàn)。四個(gè)氧傳感器的具體信息如表1所示，低溫極限測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖8中深黃色的電動(dòng)勢(shì)曲線可以看出，當(dāng)溫度低于270℃時(shí)，傳感器9開始偏離理論值。亮綠色曲線顯示，傳感器8在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)都能正常工作，其最低測(cè)試溫度為210℃。藍(lán)色曲線和紅色曲線分別代表傳感器7和傳感器4的工作電動(dòng)勢(shì)。兩條曲線的變化趨勢(shì)表明，當(dāng)兩個(gè)氧傳感器的溫度低于200℃時(shí)，電動(dòng)勢(shì)偏離理論值。根據(jù)四種氧傳感器的低溫極限溫度測(cè)試結(jié)果，可以認(rèn)為L(zhǎng)SCF/空氣傳感器在低溫區(qū)域仍能穩(wěn)定準(zhǔn)確地輸出LBE與參考側(cè)氧濃度之差所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)的溫度范圍基本覆蓋了非等溫LBE體系的低溫區(qū)域，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為氧傳感器的應(yīng)用提供了重要的參考價(jià)值。

表1用于測(cè)試的氧傳感器信息

圖6氧傳感器4、7、8、9的低溫極限試驗(yàn)

總結(jié)

對(duì)于用于測(cè)量液體LBE中氧濃度的氧傳感器，現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，大多數(shù)氧傳感器具有較高的應(yīng)用溫度范圍。因此，本文的目的是開發(fā)能在低溫LBE流動(dòng)環(huán)境下穩(wěn)定工作的氧傳感器。基于電化學(xué)原理，研制了以YSZ為固體電解質(zhì)，LSCF/空氣為參比電極的氧傳感器。根據(jù)氧傳感器在校準(zhǔn)平臺(tái)和UPBEAT回路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)Ta線作為傳感器參考側(cè)的電信號(hào)提取線時(shí)，會(huì)影響傳感器的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，而316L線和Mo線對(duì)傳感器的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)沒(méi)有影響。

2)在高溫區(qū)域測(cè)試中，LSCF/空氣參考傳感器與LSM/空氣參考傳感器具有相同的電勢(shì)，LSCF/空氣參考傳感器在500℃的高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的工作性能。

3)下限溫度測(cè)試表明，LSCF/空氣參考傳感器在低至200℃時(shí)仍能正常工作。

4)在低溫和高溫環(huán)境下對(duì)氧傳感器進(jìn)行短路試驗(yàn)，電動(dòng)勢(shì)均能恢復(fù)到初始值，證明了LSCF/空氣傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)和響應(yīng)特性。

5)LSCF/空氣參比傳感器可以在流動(dòng)的液態(tài)鉛鉍環(huán)境中正常工作，具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

一般來(lái)說(shuō)，本文研制的LSCF/空氣參考傳感器的有效工作溫度范圍為200℃~500℃。它可用于監(jiān)測(cè)液體LBE流動(dòng)環(huán)境中的氧濃度，具有良好的動(dòng)力學(xué)和響應(yīng)性。