铅铋共晶回路中的氧气控制研究

《Annals of Nuclear Energy》：Studies of oxygen control in a lead–bismuth eutectic loop

　　

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  在密封液态铅铋共晶（LBE）回路中，管壁的被动耗氧是氧还原的主要途径。
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  耗氧过程从快速表面氧化过渡到氧化膜的动态平衡状态。
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  剥落的氧化物会释放内源氧；注入H₂可有效消除这一氧源。
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  已对流量和温度的影响进行了量化分析，并建立了传质关联式。

引言

铅冷快堆（LFR）是第四代核反应堆技术中的关键堆型之一。然而，其主冷却剂液态铅铋共晶合金（LBE）对结构材料的腐蚀问题，是制约其实用化部署的重大挑战（Zhang and Li, 2008）。一种被广泛接受的缓解策略是将溶解氧浓度精确控制在约10^-7至10^-6 wt%的狭窄范围内。维持这一浓度水平有利于在钢表面形成稳定的保护性氧化层（如Fe₃O₄），从而抑制腐蚀溶解，确保系统长期完整性（Zhang, 2009, Schroer et al., 2011）。因此，开发高效可靠的氧控制技术是LFR发展的基础。

为解决这一挑战，目前全球各实验回路中已开发出三种主要的氧控制策略，并对其进行了系统研究。

气相氧控制是最成熟的技术，通过向覆盖气或LBE本身注入特定配比的H₂/O₂/Ar或H₂/H₂O/Ar混合气体，利用气-液平衡来调节溶解氧浓度（Fazio et al., 2003, Schroer and Konys, 2007）。该方法已在DELTA（Li, 2000）、HELIOS（Nam et al., 2008）和CORRIDA（Weisenburger et al., 2011）等国际主要实验设施中得到应用。这些研究阐明了在宽浓度范围内，温度、流速和气体组成对氧传输和材料行为的影响（Nam et al., 2008）。然而，该方法存在固有的局限性：注氧存在局部过饱和和PbO渣形成风险；通过氢还原的速度往往较慢；H₂O/H₂平衡法在工程规模系统中需要不切实际的大面积气-液界面（Schroer and Konys, 2007, Zhang, 2013）。

固相氧控制提供了更为直接的方法，即LBE流经旁路传质器（MX）中的固态氧化铅（PbO）颗粒填充床，通过可控溶解实现清洁快速的注氧（Martynov et al., 2009, Lim et al., 2017）。其在工程中的长期可靠性首次在俄罗斯SM-2和TT-2 M回路中得到验证（Martynov et al., 2009）。比利时CRAFT和MEXICO回路中的深入传质研究促成了高佩克莱数下经验关联式（Sh = f(Re, Sc)）的建立，为CFD模拟和传质器设计优化提供了关键基础（Marino et al., 2013, Marino et al., 2015, Liang et al., 2023a, Zhu et al., 2024）。也有报道称其已集成到DELTA回路中（Bolind, 2008）。华北电力大学在槽式LBE系统上开展了固相氧控制实验，采用浸没式壳管式传质器设计，验证了其将氧浓度从10^-5 wt%调节至435 ℃下饱和值的能力（Li et al., 2025b）。虽然该技术能够提供快速精确的注氧，但其本质上是单向的。此外，高温流动侵蚀下PbO床降解的风险要求必须将其与高效的氧还原技术相结合（Martynov et al., 2004）。

电化学氧泵（EOP）代表了一种新颖的方法，利用固态电解质膜在外加电场作用下将氧离子泵入或泵出LBE，理论上可实现双向精确控制（Yuan and Kr?ger, 1969）。比利时研究人员率先验证了该方法的可行性，并将EOP集成到MEXICO回路中，展示了其在非等温流动条件下微调氧浓度的潜力（Lim et al., 2014, Lim et al., 2019a）。然而，EOP的氧传输通量受限于固态电解质的有效面积和电极动力学。目前，这使其应用局限于小型系统或局部补偿，难以满足大型反应堆回路的全局氧控制需求（Lim et al., 2019b）。

对现有文献的批判性审视揭示出，目前对LBE中氧控制机制的认识存在显著空白。现有研究主要集中在通过气相或固相源添加和去除氧，将氧还原主要归因于氢还原途径（Schroer and Konys, 2007, Zhang, 2013）。因此，对于复杂非等温流动回路系统中固有的内部物理化学过程——特别是高活性新鲜管壁的氧化以及氧化层的动态演变——其对LBE系统整体氧平衡的贡献尚未得到充分量化（Schroer et al., 2011, Weisenburger et al., 2011）。

为弥补这一知识空白，本研究利用自主设计建造的UPBEAT（U铅（Pb）铋（Bi）E共晶A先进T回路）多功能实验回路。突破传统的外部氧控制范式，本研究旨在探明非等温流动LBE系统中内部氧控制机制。通过在高度密封环境中开展实验，本研究考察了壁面相关耗氧对非等温流动LBE回路瞬态氧平衡的贡献。特别关注有氢注入和无氢注入两种情况下的氧还原行为，以及该行为随回路累计运行时间的演变。研究结果进一步用于讨论管壁表面状态的可能变化及其对长期氧平衡的影响。由于未对管壁氧化物和悬浮含氧化学颗粒进行直接表征，涉及氧化膜溶解、侵蚀或剥落的解释被视为假说而非直接证实的机制。本研究为LBE冷却系统中高效氧控制策略的开发提供了新的理论基础和实验依据。

各章节摘要

实验系统

UPBEAT实验装置是一套自主设计的LBE回路，旨在研究非等温流动条件下的动态氧控制，具备对溶解氧浓度进行快速双向调节的能力。其总体布局见图1。

实验结果

利用UPBEAT多功能实验回路，本章系统展示了LBE中氧控制动力学实验的结果。该平台的高密封完整性、可控的固相和气相氧控制能力以及精确的同步测量控制系统，为阐明非等温流动条件下溶解氧浓度的动态行为机制提供了必要条件。本章首先重新评估了…

讨论

本章对UPBEAT回路氧控制实验中观察到的现象进行深入分析，主要探讨该系统氧控制行为背后的主导原理。讨论将重点关注壁面耗氧的作用、回路的耗氧极限，以及LBE流速和温度对氧控制行为的影响。

结论

通过严谨的实验设计和机理分析，本研究对UPBEAT回路的氧控制得出以下结论：

• (1)
  即使在未注入氢气的情况下，新抛光的UPBEAT回路中也观测到了显著的氧还原。在所研究的初始运行条件下，零氢条件下的氧下降速率与若干注氢实验中的观测结果相当，表明壁面相关耗氧…

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金（12027813）和国家重点研发计划（2022YFB1902503）的资助。

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