一种氧浓度控制装置及方法

本发明涉及核反应堆，具体而言，涉及一种氧浓度控制装置及方法。

背景技术：

1、铅基快堆是一种先进的核能反应堆设计，其核心中使用铅液体作为冷却剂和靶材料。在铅基快堆中，包壳材料是关键的组成部分，用于包裹和隔离核燃料及冷却剂。为了保护包壳材料的长期使用性能，铅基快堆系统中通常需要添加氧浓度控制装置。通过精确控制氧气浓度，可以减缓或减少包壳材料的铅腐蚀速率，延长其使用寿命。

2、然而氧浓度控制存在以下问题：1.液态金属中氧浓度分布不均匀；2.氧浓度控制装置无法及时调节因温度变化引起的气压变化；3.氧浓度控制装置出现过热危险时，无法进行应急处理；4.氧浓度控制装置无法合理密封，避免外界环境干扰；5.氧浓度控制装置缺少相应的氧浓度控制方法，无法保证精确控制氧浓度。

3、这类问题广泛存在于反应堆技术领域，降低了氧浓度控制装置工作的安全性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氧浓度控制装置及方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个，从而提升氧浓度控制装置工作的安全性和可靠性。

2、本发明实施例提供一种氧浓度控制装置，所述装置包括质量交换器、反应釜体、反应气氛预处理回路、液位调节回路、氧传感器和加热组件；

3、所述质量交换器包括第一筒体结构和第二筒体结构，所述第一筒体结构的开口朝上，所述第二筒体结构的开口朝下，所述第二筒体结构套入所述第一筒体结构，所述第一筒体结构的内侧底面与所述第二筒体结构的下表面之间具有间隙，该间隙尺寸小于质量交换器内颗粒粒径，所述第一筒体结构与所述反应釜体的腔内底面固定连接，所述质量交换器浸没于所述反应釜体内部的液态金属中；

4、所述反应气氛预处理回路与所述反应釜体密封连接，用于在实验前排除所述反应釜体内部的残余空气；

5、所述液位调节回路与所述质量交换器密封连接，用于调节所述质量交换器内部液面高度；

6、所述氧传感器与所述反应釜体密封连接，用于测量所述反应釜体内部的氧浓度；

7、所述加热组件设置于所述反应釜体的外壁。

8、可选地，所述装置还包括安全壳体，所述反应气氛预处理回路包括第一截止阀，所述液位调节回路包括第二截止阀；

9、所述反应釜体设置于所述安全壳体的腔内，所述反应釜体与所述安全壳体固定连接；

10、所述反应气氛预处理回路的端口与所述第一截止阀之间的管道贯穿所述安全壳体的壳盖和所述反应釜体的壳盖，且与所述安全壳体和所述反应釜体密封连接；

11、所述液位调节回路的第一端口与所述第二截止阀之间的管道贯穿所述安全壳体的壳盖和所述反应釜体的壳盖，与所述安全壳体和所述反应釜体密封连接，所述液位调节回路的第一端口与所述质量交换器的内部导通形成密封连接；

12、所述氧传感器贯穿所述安全壳体的壳盖和所述反应釜体的壳盖，且与所述安全壳体和所述反应釜体密封连接。

13、可选地，所述反应气氛预处理回路依次密封连接有第一气瓶、第一减压阀、第一换向阀和所述第一截止阀，所述反应气氛预处理回路的端口伸入至所述反应釜体的腔内，且所述反应气氛预处理回路的端口与所述第一截止阀之间的管路密封连接于所述反应釜体的壳盖，所述第一换向阀密封连接有真空泵；

14、可选地，所述液位调节回路依次设置有第二气瓶、第二减压阀、第二换向阀和所述第二截止阀，所述液位调节回路的第一端口伸入至所述质量交换器的腔内，且所述液位调节回路的第一端口与所述第二截止阀之间的管路密封连接于所述安全壳体的壳盖和所述反应釜体的壳盖，所述第二换向阀密封连接有所述液位调节回路的第二端口。

15、可选地，所述装置还包括第一泄压回路、第二泄压回路、第一压力传感器、第二压力传感器和净化回路；

16、所述第一泄压回路包括第一泄压阀，所述第一泄压回路的进气端口与所述第一泄压回路的第一泄压阀之间的管道贯穿所述安全壳体的壳盖，且与所述安全壳体密封连接；

17、所述第二泄压回路包括第二泄压阀，所述第二泄压回路的进气端口与所述第二泄压回路的第二泄压阀之间的管道贯穿所述安全壳体的壳盖和所述反应釜体的壳盖，且与所述安全壳体和所述反应釜体密封连接；

18、所述第一压力传感器贯穿所述安全壳体的壳盖，与所述安全壳体密封连接，用于感测所述安全壳体的腔内气压；

19、所述第二压力传感器贯穿所述安全壳体的壳盖和所述反应釜体的壳盖，与所述安全壳体和所述反应釜体密封连接，用于感测所述反应釜体的腔内气压；

20、所述气体净化回路包括水箱，所述液位调节回路的第二端口、所述第一泄压回路的出气端口和所述第二泄压回路的出气端口均连接至所述水箱的液面之下。

21、可选地，所述装置还包括紧急安全喷淋系统、非能动循环冷却系统、泄放阀、收集罐和温度传感器；

22、所述紧急安全喷淋系统包括一个以上喷头；所述喷头贯穿所述安全壳体的壳盖，且与所述安全壳体密封连接；

23、所述非能动循环冷却系统包括一个以上倒u形管道，且与所述安全壳体的内部导通形成密封连接；

24、所述泄放阀设置于所述安全壳体的下方，用于控制所述反应釜体内部的液态金属流入所述收集罐；

25、所述收集罐设置于所述泄放阀的下方；

26、所述温度传感器贯穿所述安全壳体的壳盖，且与所述安全壳体密封连接，所述温度传感器的感测端与所述反应釜体的外壁接触，用于感测所述反应釜体的罐体温度。

27、可选地，所述装置还包括密封组件，所述密封组件固设于所述安全壳体的壳盖和/或所述反应釜体的壳盖；

28、所述密封组件包括第一接头、连接接头、第二接头、紧固接头和密封圈；所述第一接头密封固设于所述反应釜体的壳盖，所述第一接头一端具有第一内螺纹孔，另一端具有连通于所述反应釜体腔内的第一通孔，所述第一内螺纹孔与所述第一通孔相连通；所述密封圈一端外周侧为第一锥形体结构，且具有贯通其两端的密封通孔，所述密封通孔连通于所述第一通孔，所述密封圈位于所述第一接头的第一内螺纹孔内；所述连接接头为杆状结构，具有贯通其两端的连接通孔，所述连接接头一端的外周侧具有与所述第一接头的第一内螺纹孔相适配的外螺纹，且该端的内周侧具有与所述密封圈外形相适配的第一锥形凹槽，另一端的外周侧具有第二锥形体结构和外凸环结构，所述连接通孔连通于所述密封通孔；所述第二接头一端的外周侧具有外螺纹，内周侧具有与所述连接接头的第二锥形体结构相适配的第二锥形凹槽，所述第二接头具有贯通其两端的第二通孔，所述第二通孔连通于所述连接通孔；所述紧固接头为筒状结构，所述筒状结构的筒底空套于所述连接接头的外周侧，且所述筒底内底壁抵接于所述外凸环结构朝向所述第一接头的端面，所述紧固结构的筒身内侧壁具有与所述第二接头的外螺纹相适配的内螺纹。

29、与现有技术相比，本发明所提供的氧浓度控制装置具有的有益效果在于：

30、本发明实施例提供的氧浓度控制装置，通过设置由质量交换器、反应釜体、反应气氛预处理回路、液位调节回路、氧传感器和加热组件组成的氧浓度控制装置；在实验前，通过反应气氛预处理回路排除反应釜体内残余气体，提升反应釜体内反应的稳定性和安全性；在反应釜体使用过程中，将质量交换器固定于反应釜体的腔内，通过液位调节回路实现控制调节反应釜体内氧浓度，此外，质量交换器的第一筒体结构的内侧底面与第二筒体结构的下表面之间具有间隙，该间隙尺寸小于质量交换器内颗粒粒径，上述间隙在防止质量交换器内颗粒泄漏的同时能够进行液态金属的吞吐，如此结构化设置保证质量交换器的氧浓度控制功能和自搅混功能的实现，提升液态金属中氧元素分布均匀化效果；另，上述氧浓度控制装置设置的氧传感器可以实现对上述反应釜体内部氧浓度值的监测，为控制调节氧浓度提供基础信息，上述氧浓度控制装置设置的加热组件设置于反应釜体的外壁，对反应釜体进行加热，使得固态金属变为液态，并在氧浓度控制过程中使反应釜体内的金属始终呈现液态；综上所述，如此结构化的设置氧浓度控制装置，提升了氧浓度控制装置的安全性和可靠性。

31、本发明实施例还提供一种氧浓度控制方法，应用于上述的氧浓度控制装置，所述方法包括：

32、通过控制所述反应气氛预处理回路，将所述反应釜体的腔内空气排空，充入惰性气体；

33、获取所述反应釜体的腔内氧浓度值；

34、将所述反应釜体的腔内氧浓度值与氧浓度区间进行比较，通过所述液位调节回路控制所述质量交换器液位周期变化，所述氧浓度区间为包壳材料氧化腐蚀的允许区间。

35、可选地，所述氧浓度区间包括最优氧浓度值，所述将所述反应釜体的腔内氧浓度值与氧浓度区间进行比较，通过所述液位调节回路控制所述质量交换器液位周期变化，包括：

36、若所述反应釜体的腔内氧浓度值小于氧浓度区间的下限值，则通过所述液位调节回路控制所述质量交换器内部液位在第一液位和第二液位之间周期升降；

37、若所述反应釜体的腔内氧浓度值大于所述氧浓度区间的下限值且小于所述最优氧浓度值，则通过所述液位调节回路控制所述质量交换器内部液位在所述第一液位和第三液位之间周期升降；

38、其中，所述第一液位高于所述第三液位高于所述第二液位。

39、可选地，所述方法还包括：

40、获取所述安全壳体的腔内气压值和所述反应釜体的腔内气压值；

41、若所述安全壳体的腔内气压值大于第一压力阈值，则控制所述第一泄压阀打开；

42、和/或，若所述反应釜体的腔内气压值大于第二压力阈值，则控制所述第二泄压阀打开。

43、可选地，所述方法还包括：

44、获取所述反应釜体的罐体温度值；

45、若所述反应釜体的罐体温度值高于温度阈值，则控制所述紧急喷淋系统的喷头出水，并控制所述泄放阀打开。

46、与现有技术相比，本发明所提供的氧浓度控制方法具有的有益效果在于：

47、本发明实施例提供的氧浓度控制方法，通过控制反应气氛预处理回路，将反应釜体的腔内空气排空，充入惰性气体，从而避免空气对反应造成不良影响；获取反应釜体的腔内氧浓度值；将上述反应釜体的腔内氧浓度值与氧浓度区间进行比较，通过液位调节回路控制质量交换器液位变化，上述氧浓度区间为包壳材料氧化腐蚀的允许区间，实现对反应釜体内氧浓度的控制，且由于质量交换器中的液态金属存在吞吐过程，故上述控制方法具有自搅混的特点，此外，可以通过调节周期时间实现控制自搅混的效果；综上所述，提升了氧浓度控制过程的安全性和可靠性。

48、附图说明

49、为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

50、图1为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置的二维结构示意图；

51、图2为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置中，密封组件的二维结构示意图；

52、图3为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置的三维结构模拟效果示意图；

53、图4为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置中，紧急安全喷淋系统的剖面结构示意图；

54、图5为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置中，非能动循环冷却系统的剖面结构示意图；

55、图6为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置中，质量交换器的剖面结构示意图；

56、图7为本发明实施例所提供的氧浓度控制装置中，质量交换器的主视示意图；

57、图8为本发明实施例提供的氧浓度控制方法的示意性流程图。