隨著全球核能發(fā)展趨勢，國際上將核電站的發(fā)展分為四代。第一代核電站，是指上世紀(jì)50、60年代初期開發(fā)的核電站。第二代核電站，是指從60年代后期到90年代前期進(jìn)一步開發(fā)和建造的發(fā)電功率達(dá)30萬千瓦的大型商用核 電站。第三代核電站，是從上世紀(jì)90年代中后期到2010年開始運行的具有更高安全指標(biāo)的先進(jìn)核電站。正在開發(fā)中的第四代核電站，具有經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、產(chǎn)生廢物少、核資源可持續(xù)、核擴(kuò)散可防止等優(yōu)點。其中鉛基反應(yīng)堆（LFR）由于其突出的優(yōu)點成為第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)具有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N堆型之一。鉛基反應(yīng)堆使用鉛或者鉛鉍共晶合金（LBE）作為冷卻劑材料，且最早在前蘇聯(lián)開發(fā)用于阿爾法級核潛艇，但由于LBE是一種腐蝕材料，結(jié)構(gòu)鋼材在LBE環(huán)境會發(fā)生液態(tài)金屬腐蝕（LMC）和液態(tài)金屬脆化（LME），LMC和LME以及氧濃度成為影響鉛基反應(yīng)堆性能的關(guān)鍵問題。因此為了研究液態(tài)鉛鉍環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性，亟需開發(fā)一種可模擬不同氧濃度高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境的力學(xué)試驗系統(tǒng)。

圖1 一到四代核反應(yīng)堆發(fā)展及代表堆型

      液態(tài)LBE控氧技術(shù)主要包括氣態(tài)控氧和固態(tài)控氧，其中氣態(tài)控氧技術(shù)又分為兩種。如圖2所示，第一種是將Ar/H2還原性混合氣體或Ar/O2氧化性混合氣體通入液態(tài)LBE內(nèi)部或覆蓋在表面，通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)對氧濃度的控制。如圖3所示，另一種氣態(tài)控氧方式為在液態(tài)LBE表面通入Ar/H2/H2O三元混合氣體，通過控制H2和H2O的組分比例來使液態(tài)LBE氧濃度達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定。第一種氣態(tài)控氧方式控氧速率較快，但是控氧精度較差且容易失控，第一種氣態(tài)控氧方式可以獲得穩(wěn)定的氧濃度且波動較小，但時控氧時間較長。

圖2 第一種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線

圖3 第二種氣態(tài)控氧方式及控氧曲線

   E為理論電動勢EMF，單位為V；R=8.31441J/(mol·K)，為理想氣體常數(shù)；F=96484.6C/mol，為法拉第常數(shù)；T為溫度，單位是K；PO2,ref為參比電極氧分壓；PO2是被測介質(zhì)中的氧分壓。在一定的溫度下，參比電極中的氧分壓是一定的，那么被測介質(zhì)中的氧分壓就可以通過測量電動勢E的值獲得。

圖4 氧傳感器原理圖

      根據(jù)參比電極的不同類型，可將氧傳感器分為兩種，一種是金屬-空氣氧傳感器，如Pt-空氣氧傳感器，另一種是金屬-金屬氧化物傳感器如Bi-Bi2O3、Cu-CuO2氧傳感器。國內(nèi)外均有多家機(jī)構(gòu)研發(fā)了LBE氧傳感器，考慮到金屬-空氣參比電極傳感器需要和空氣連通，電解質(zhì)破裂可能會造成回路泄漏，優(yōu)先開發(fā)金屬-金屬氧化物參比電極氧傳感器。且Bi-Bi2O3在應(yīng)用溫度范圍、準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面綜合性能優(yōu)異，基于以上原因，優(yōu)先開發(fā) Bi-Bi2O3參比電極傳感器。

     自行設(shè)計的Bi-Bi2O3氧傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5-a所示，實物圖如圖5-b所示，圖6為不同溫度下氧傳感器的穩(wěn)定性測試結(jié)果，測試結(jié)果誤差穩(wěn)定在2mV以內(nèi)。

圖5 Bi-Bi2O3型氧傳感器結(jié)構(gòu)圖

(1) BNC 接頭；(2) 密封法蘭；(3) 氟膠圈；(4) 密封陶瓷片；(5) 螺紋壓緊件；(6) 錐形環(huán)；(7) 散熱片；(8) CF法蘭；(9) 氧化鋁陶瓷管；(10) 電極引線；(11) YSZ陶瓷錐管

圖6 不同溫度下氧傳感器穩(wěn)定性測試結(jié)果

(a) 500 ℃；(b) 450 ℃；(c) 400 ℃；(d) 350 ℃

圖7高溫液態(tài)金屬環(huán)境臥式單軸疲勞試驗系機(jī)結(jié)

(a) 主機(jī)結(jié)構(gòu)；(b) 引伸計安裝示意圖；(c) 引伸計安裝實物圖

      凱爾測控是一家專業(yè)從事開發(fā)、生產(chǎn)、銷售各類力學(xué)試驗系統(tǒng)的國家高新技術(shù)企業(yè)，自2008年成立以來一直致力于發(fā)展新的測試方法。先后與清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院金屬所、中國工程物理研究院等國內(nèi)著名高校、科研院所建立密切合作，持續(xù)在航空、航天、核電等關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與投入。公司擁有各類力學(xué)性能試驗機(jī)四個系列四十余個品種，主導(dǎo)產(chǎn)品電磁式疲勞試驗系統(tǒng)、原位力學(xué)試驗系統(tǒng)、原位雙軸力學(xué)試驗系統(tǒng)、拉扭多軸疲勞試驗機(jī)等測試系統(tǒng)打破國外設(shè)備的壟斷。憑借著過硬的技術(shù)、性能優(yōu)良的產(chǎn)品和專業(yè)妥善的服務(wù)，凱爾測控贏得了眾多用戶的信賴。