华北电力大学先进堆关键技术研究室(NCEPU ART Lab)成员梁瑞先，在Annals of Nuclear Energy发表题为"Annals of Nuclear Energy"的文章。该文章氧传感器是用于液态铅铋共晶(LBE)体系的活性氧控制系统(OCS)的主要组成部分。在静态氧饱和LBE中，采用LSCF(镧锶钴铁氧体)/空气参比电极，利用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)固体电解质传感器测量电动势(EMF)，得到电动势与温度的关系。氧传感器的电动势输出是确定的和可预测的。


在本研究中，氧传感器采用LSCF作为参比电极材料，YSZ作为固体电解质。将LSCF/空气氧传感器应用于液体LBE回路，并评价其性能。


实验原理


氧传感器的工作原理如图1所示，YSZ作为探头插入液体LBE中，LBE必须浸入YSZ的高度对应于含有参比电极粉末的内表面部分。

图1氧传感器原理图


试验设备为强制循环回路，称为UPBEAT回路。UPBEAT回路用于进行氧气控制，材料和热工实验。管道和容器的材料都是316L不锈钢钢。设备主要包括LBE储罐、电磁泵、永磁电磁流量计和膨胀罐。回路管上设置有热段加热器和冷段散热器，如图2所示。

图2 UPBEAT回路原理图

图3 UPBEAT回路内部图


氧传感器性能的测试


氧传感器物理示意图如图3(a)所示，传感器在膨胀罐中的安装位置如图3(b)所示。膨胀罐上方设有若干安装孔。传感器从安装孔插入膨胀罐内的液体LBE，并通过密封法兰连接。

图4氧传感器结构及安装位置


结果分析


对氧传感器#3(LSCF/空气参比)和氧传感器#10(LSM/空气参比)进行了测试。实验温度从500℃逐渐降低到350℃，温度阶梯为50℃，同时采集两个传感器的电势。实验结果如图5所示。红色曲线为3号氧传感器的电动势，蓝色曲线为10号氧传感器的电动势。


这两条电动势曲线基本重合。结果表明，两种传感器测得的从空气到LBE的电化学氧势相同，证明了LSCF/空气传感器的可靠性。

图5氧饱和LBE下的校准试验


分别对传感器4、传感器7、传感器8和传感器9在氧饱和LBE下进行低温试验。四个氧传感器的具体信息如表1所示，低温极限测试结果如图6所示。从图8中深黄色的电动势曲线可以看出，当温度低于270℃时，传感器9开始偏离理论值。亮绿色曲线显示，传感器8在整个测试温度范围内都能正常工作，其最低测试温度为210℃。蓝色曲线和红色曲线分别代表传感器7和传感器4的工作电动势。两条曲线的变化趋势表明，当两个氧传感器的温度低于200℃时，电动势偏离理论值。根据四种氧传感器的低温极限温度测试结果，可以认为LSCF/空气传感器在低温区域仍能稳定准确地输出LBE与参考侧氧浓度之差所产生的电动势。本实验的温度范围基本覆盖了非等温LBE体系的低温区域，实验数据为氧传感器的应用提供了重要的参考价值。

表1用于测试的氧传感器信息

图6氧传感器4、7、8、9的低温极限试验


总结


对于用于测量液体LBE中氧浓度的氧传感器，现有文献表明，大多数氧传感器具有较高的应用温度范围。因此，本文的目的是开发能在低温LBE流动环境下稳定工作的氧传感器。基于电化学原理，研制了以YSZ为固体电解质，LSCF/空气为参比电极的氧传感器。根据氧传感器在校准平台和UPBEAT回路的实验结果得出以下结论:


1)当Ta线作为传感器参考侧的电信号提取线时，会影响传感器的电动势信号，而316L线和Mo线对传感器的电动势信号没有影响。


2)在高温区域测试中，LSCF/空气参考传感器与LSM/空气参考传感器具有相同的电势，LSCF/空气参考传感器在500℃的高温环境下具有优异的工作性能。


3)下限温度测试表明，LSCF/空气参考传感器在低至200℃时仍能正常工作。


4)在低温和高温环境下对氧传感器进行短路试验，电动势均能恢复到初始值，证明了LSCF/空气传感器具有良好的动态和响应特性。


5)LSCF/空气参比传感器可以在流动的液态铅铋环境中正常工作，具有优异的瞬态响应特性。


一般来说，本文研制的LSCF/空气参考传感器的有效工作温度范围为200℃~500℃。它可用于监测液体LBE流动环境中的氧浓度，具有良好的动力学和响应性。