铅铋合金中铅铋分离制备草酸铅工艺研究

针对铅铋在熔炼、吹炼过程极易形成互溶相,难分离,导致产出的铅铋合金堆存或低价外售。通过冷水喷射冲散金属液进行制粒-氧化酸浸回收铅铋的湿法分离工艺,并在浸出液中加入草酸制备草酸铅,优化了影响铅铋浸出率的主要因素,反应温度80~90℃,反应时间120 min,搅拌速率250 r/min,醋酸初始浓度500 g/L时,Pb、Bi的浸出率分别达到了96%、93%,按理论量加入草酸制备的草酸铅产品纯度达到了99.3%,实现了铅铋合金湿法回收。

液态铅铋合金氧计探头设计及优化

液态铅铋合金的测氧和氧控,对抑制结构材料腐蚀具有重要作用,是铅基反应堆工程应用需解决的关键技术问题之一。为支持深入开展液态铅铋合金氧测控技术研究,本文基于液态铅铋合金测氧原理及其测量需求,自主设计研制了用于液态铅铋合金测氧的氧计探头,并利用某铅铋合金静态腐蚀试验釜验证了氧计探头的测量性能,结果表明,所设计的氧计探头可在200~550℃交变高温情况下实现测氧,测量范围达到10^(-6)~30 ppm,泄漏率不高于10^(-6)(Pa·m^(3))/s。

高温蒸馏坩埚在铅铋合金中的腐蚀行为研究

针对高温蒸馏处理铅铋合金(LBE)冷却剂中210 Po的坩埚腐蚀行为,在1000℃、5000 Pa条件下开展了材料为金属、氧化物和石墨的坩埚与LBE的静态腐蚀试验,获得了不同材料坩埚试验前后的质量变化、腐蚀试验后LBE中引入的杂质含量、坩埚内外表面及LBE表面形貌的变化以及氧化铝坩埚腐蚀试验后与LBE交界面的金相形貌。结果表明:以石英、氧化铝、氧化锆和钼为材料的坩埚高温下质量稳定;腐蚀试验后,以氧化铝、氧化锆、钼和钨为材料的坩埚引入LBE中的杂质含量小于31 ppm;以氧化铝和氧化锆为材料的坩埚腐蚀试验后内外表面均无腐蚀;氧化铝坩埚与LBE金相界面无腐蚀。综上所述,氧化铝坩埚耐LBE腐蚀性能较好,适宜用作LBE高温蒸馏处理210 Po的蒸馏容器。

静态腐蚀条件下铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢与液态铅铋合金相容性研究进展

液态铅铋合金(LBE)是铅冷快中子反应堆(LFR)和加速器驱动次临界系统(ADS)的主要冷却剂材料。反应堆用结构材料(如铁素体/马氏体钢、奥氏体不锈钢等)在液态LBE环境下存在液态金属腐蚀(LMC)和应力腐蚀的问题,这些问题给钢结构材料的安全服役带来隐患。阐述了钢材铅铋腐蚀类型及机理,归纳了材料设计与处理(元素成分、热处理、加工制造和表面处理)和腐蚀条件(氧质量分数、腐蚀温度和腐蚀时间)对钢材铅铋腐蚀行为的影响机制;澄清了LBE环境下的应力腐蚀与金属脆化机制,总结了内外因素(材料种类、表面缺陷、热处理、氧质量分数、腐蚀温度和拉伸速率)对钢材拉伸性能的影响,并展望了未来铅铋反应堆结构材料的研究方向。建议面向未来的铅铋堆用钢应优化材料设计和处理方式(提高Si、Al等元素的含量、表面镀膜和热处理)同时控制LBE中环境参数(温度、氧质量分数和腐蚀时间)以提高钢材的耐铅铋腐蚀性能。

非对称紧凑式换热器内超临界二氧化碳与液态铅铋合金耦合换热特性研究

超临界二氧化碳布雷顿循环与铅冷快堆的结合被认为是最为理想的动力循环之一,系统通过中间换热器传递热量,其性能影响着整个发电系统的高效与安全运行。由于超临界二氧化碳和液态铅铋合金(LBE)物理性质和热输运性质差异显著,对称式结构无法匹配两侧工质的换热要求,构建了1种非对称式紧凑式耦合换热器,采用数值模拟方法研究了超临界二氧化碳与液态铅铋合金耦合换热特性。结果表明:提升冷侧流体入口速度会显著增强换热;增加热侧LBE入口速度时,总换热系数先降低后增加;提升换热器冷热流体入口温度,换热器的换热系数先减小后增大,存在最优值;在拟临界区内,强浮力作用会大幅提升冷侧换热,而加速效应则抑制换热。

起伏对强迫循环下铅铋合金阻力及换热特性影响实验研究

受起伏运动的影响,铅铋回路的流量发生波动,流动阻力与换热特性会发生变化。本文采用实验方法,研究了起伏条件下强迫循环液态铅铋合金在竖直圆管内的流动阻力与换热特性。结果表明:起伏运动引起的瞬时附加压降峰值低于理论值;在强迫循环下,起伏会造成回路流量周期性波动,在最大起伏幅度300 mm、周期4 s的工况下,流量瞬时波动最大达到16%。拟合得到了流量波动的无量纲数表达式。在强迫循环范围内,起伏运动下的管道时均摩擦阻力系数与静止条件下一致,起伏运动不会影响回路的时均传热特性。本研究结果可为起伏运动下反应堆设计提供数据参考。

液态铅铋合金与钢铁交互作用的微尺度仿真研究进展

液态铅铋合金(LLBE)是加速器驱动次临界系统和反应堆冷却剂的候选材料,其与钢铁材料接触会造成材料腐蚀。理清LLBE与钢铁材料交互作用的机理对揭示LLBE中钢铁材料腐蚀机制具有重要作用。目前,微尺度仿真技术已大量用于研究LLBE与钢铁交互作用的微观机理及规律。系统介绍了微尺度仿真技术在LLBE环境中钢铁材料的腐蚀与防护以及腐蚀产物污染研究中的应用,探讨了LLBE与钢铁材料交互作用微观仿真研究的发展方向。

液态铅铋合金绕丝燃料组件共轭传热数值模拟

围绕液态铅铋合金(LBE)的数值模拟研究通常仅针对流体域,而忽略了固体域的影响。为了研究绕丝燃料组件物理模型及边界条件对LBE的流动与传热的影响,基于质量守恒原则、能量守恒原则和传热特性等效原则,设计了燃料棒及绕丝表面有恒热流密度的纯流体域模拟、燃料棒及绕丝有恒体积功率的流固共轭传热模拟、燃料棒表面有恒热流密度的纯流体域模拟和燃料棒有恒体积功率的流固共轭传热模拟这4种数值模拟方案,在施加相同总功率条件下,比较了4种方案的LBE和流固边界上的温度分布差异。对比分析4种方案的大涡模拟结果发现:流固共轭传热方案比热流边界方案更具合理性;与Pacio实验数据相比,方案四即燃料棒具有恒体积功率的流固共轭传热的数值模拟结果在流固边界峰值温度上的偏差最小。因此,针对绕丝燃料组件LBE及包壳局部温度峰值的数值预测,推荐采用燃料棒有内热源的流固共轭传热数值模拟方案,能够准确预测绕丝燃料组件内LBE的温度特性。

直通道PCHE内S-CO_(2)与铅铋合金耦合换热特性数值分析

针对超临界二氧化碳(S-CO_(2))与液态铅铋合金在印刷电路板换热器内耦合换热问题,本文建立了“1对2型”直通道印刷电路板换热器换热单元三维模型。采用数值模拟方法对S-CO_(2)与液态铅铋合金耦合换热特性进行了研究。结果表明:冷侧S-CO_(2)对流换热热阻远大于热侧液态铅铋合金热阻,即印刷电路板换热器整体换热更受制于S-CO_(2)的影响,且S-CO_(2)侧的换热强度决定了整体换热的下限。改变S-CO_(2)侧入口质量流速比改变液态铅铋合金侧入口质量流速对印刷电路板换热器换热器单元功率影响程度更大。S-CO_(2)侧入口质量流速每增加1 kg/s,换热功率增加335.77 kW。本文研究结果可为后续液态铅铋合金与S-CO_(2)耦合换热研究和印刷电路板换热器设计提供参考。

19棒束绕丝燃料组件内液态铅铋合金热工水力性能研究

对不同绕丝数量19棒束燃料组件内液态铅铋合金的热工水力性能进行了数值研究。首先计算了单绕丝燃料组件内液态铅铋合金的热工水力性能,所选取棒束截面的温度分布和棒束通道平均换热系数与实验结果符合良好,表明采用的计算模型和方法具有较高的可靠性;其次,通过比较不同绕丝数量计算模型的计算结果,发现多绕丝燃料组件内流场分布均匀性较好,表明绕丝数量的增多使流场的搅混更加充分,能降低燃料棒表面温度,有利于热工性能的增强,但组件内的流动阻力损失也有所增大;最后,采用流动换热联合因子对不同绕丝数量燃料组件综合热工水力性能进行了比较,结果表明,在分析的范围内,4绕丝19棒束燃料组件的综合性能最好。

Pt/air电化学氧泵在450℃铅铋合金中的控氧特性研究

铅铋共晶合金(Lead Bismuth Eutectic,LBE)氧含量调控直接影响结构材料的铅铋腐蚀性能。气相氧控容易产生放射性气体,固相氧控氧化铅原料则难以在线更换补充,因此国际上发展了电化学氧泵(Electrochemical Oxygen Pump,EOP)控氧方法。本论文采用工艺成熟、高还原催化活性的Pt研制了一种新型的Pt/air型电化学氧泵,并利用电流-时间法在静态LBE实验装置中开展了电化学氧泵的控氧测氧研究。研究结果表明Pt/air型电化学氧泵可以有效调控LBE氧浓度,且氧在液态LBE中的传质扩散可能会影响氧泵除氧效率。

液态铅铋合金自然循环实验与数值模拟

铅铋合金(lead-bismuth eutectic,LBE)自然循环流动与输传热特性的研究,对自然循环铅铋快堆的设计运行、提高反应堆自然安全性能有重要意义。为进一步探究铅铋合金的自然循环流动传热特性,本文基于自然循环理论分析,并结合其他冷却剂介质(钠、水),对比研究了LBE自然循环稳态流动与输传热行为规律与特点;同时基于LBE自然循环瞬稳态实验,对快堆系统分析程序FRTAC模拟LBE瞬、稳态自然循环的适宜性进行了初步验证;基于FRTAC程序计算,量化分析了不同运行工况、回路流道结构参数和回路阻力等因素对LBE自然循环的影响。结果表明,不同因素对LBE自然循环的影响程度不同,不同的回路运行温度水平对自然循环流动特性影响较小,而传热特性受回路不同运行温度水平影响的敏感性相对较大;自然循环高度(冷热心位差)对自然循环质量流量影响较显著。此外,回路整体管径增大将导致循环质量流量增加,加热区内温升与换热温差降低。

PbO陶瓷在铅铋合金中冲蚀作用的数值模拟及实验研究

将铅铋合金的氧浓度控制在合理的范围内,是避免铅铋反应堆管路堵塞的有效办法。在铅铋合金的固态氧控过程中,氧化铅陶瓷球的消耗速率取决于铅铋合金对其的冲蚀速率,溶解和冲蚀是共同作用且相互影响的。在本论文研究中,设计了实验并测得冲蚀率约为6.38~7.44e-7kg/m^(2)·s^(-1)。对氧化铅陶瓷在铅铋合金中的冲蚀作用进行了数值模拟,将数值模拟结果与冲蚀实验结果进行对比,取得较好的一致性。

一种铜阳极泥熔炼渣冶炼铅铋合金工艺

铅铋合金冶炼过程中,工艺的选择对于最终的生产成果有着巨大的影响。为了在达到降本增收的效果,通过在产能、工艺流程、与现有生产实践衔接等方面对铅铋传统处理工艺、金属真空蒸馏工艺进行对比,认为金属真空蒸馏工艺更具可行性。在文中综合论述了福建某企业稀贵厂铜阳极泥熔炼渣冶炼铅铋合金工艺的应用实践。(1)采用真空蒸馏工艺分离粗铅铋合金金银后,以当前阳极泥处理量,年可生产精铅铋合金378t,价值约890万元,另年多直收黄金168kg,白银9.45t。(2)采用真空蒸馏工艺分离粗铅铋合金金银较粗铅铋合金直接外售年可新增效益约970万元。

铅铋合金在H_2SO_4溶液中析氧反应研究

采用线性电位扫描法、气体收集实验以及电化学阻抗法研究了纯铅电极和铅铋[w(Bi)=0 05%]合金电极在硫酸溶液中的析氧反应。阳极极化曲线测量表明,相同电位下,纯铅电极上的析氧电流稍小于铅铋合金电极上的析氧电流;氧气收集实验表明,相同电位下,纯铅电极上收集到的氧气的体积稍小于铅铋合金电极;交流阻抗实验表明,在两种电极上的析氧反应均受电荷传递控制,且相同电位下,纯铅上的析氧反应电阻略大于铅铋合金电极上的反应电阻。铅铋合金中0.05%铋的存在对析氧反应有催化作用,但影响不大。因而,适量铋的存在并不会增大电池的水损失。

液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。

T91钢在氧浓度为0.01ppm静态铅铋合金中的界面腐蚀特征

开展了铅基反应堆候选结构材料T91钢在500℃、0.01ppm氧浓度、静态铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀行为研究,腐蚀时间依次为500、1 000、2 000h。采用SEM观察腐蚀界面组织形貌,并结合EDX分析界面产物成分及元素扩散行为。结果显示:T91钢发生了氧化腐蚀,表面生成了具有3层结构的氧化膜。最外层为疏松且有LBE渗透的Fe3O4层,中间层为致密且具有保护性的(Fe,Cr)3O4层,最内层为富含铬元素的内氧化层(IOZ)。随着腐蚀时间的增加,Fe3O4层和(Fe,Cr)3O4层的厚度先快速增加,在1 000h时分别达到6.5μm和7.4μm;随着腐蚀时间进一步增加,Fe3O4层的厚度略有减小而(Fe,Cr)3O4层的厚度略有增加,而IOZ的厚度却一直近似以线性规律缓慢增加。

铅铋合金冷却反应堆内气泡提升泵提升自然循环能力的理论研究

液态金属冷却核反应堆采用气泡提升泵的概念设计来提升堆芯自然循环能力。液态金属和惰性气体两相流动特性显著影响自然循环能力和系统安全性。本工作对铅铋合金冷却反应堆中气泡提升泵提升自然循环能力进行数值模拟研究。基于漂移流模型,采用空泡份额预测模型和摩擦压降预测模型分析了气体质量流量、质量含气率、气泡直径、上升管道高度对气泡提升泵提升自然循环能力的影响。结果表明:泡状流区域中,对于给定的气体质量流量,随着充入气泡直径减小,自然循环能力呈增加趋势。在泡状流、弹状流、乳状流和环状流等流型中,随着气体质量流量、质量含气率增加,自然循环能力先增大后减小。随着上升管道高度增加,自然循环流量增大。可见,流动参数显著影响堆芯热工水力特性。现有工作有助于优化带有气泡提升泵的自然循环冷却系统设计。

铅铋合金中Bi/Bi2O3型氧传感器准确性及稳定性测试研究

液态铅铋合金（LBE）中溶解氧浓度的精确测量是实现LBE中氧浓度控制的前提。本文用一自主研制的Bi/Bi2O3型氧传感器来测量LBE氧浓度,在静态氧饱和的LBE中分别进行了准确性及稳定性测试。准确性测试结果表明,在340-480℃范围内氧传感器电动势实验曲线随温度的变化与理论曲线一致,电动势绝对误差最大为-2.6 mV;稳定性测试结果表明,在450℃、50h内电动势绝对误差为-1.4mV,波动为4mV。

316L和T91不锈钢在550℃静态铅铋合金中的腐蚀行为

液态铅铋合金(LBE)是加速器驱动次临界系统(ADS)重要的散裂靶材料和冷却剂候选材料,也是先进快中子堆的重要冷却剂材料.由于LBE会对结构材料产生强烈的腐蚀,因此LBE的应用需要优先解决高温下LBE与结构材料的相容性问题.这里报道了ADS候选结构材料316L和T91不锈钢样品在550℃静态LBE中腐蚀1 000h的实验研究.利用扫描电子显微镜表征了腐蚀后的样品横截面的显微结构形貌,通过EDS面扫描分析了LBE/基体界面处主要元素分布.结果表明,两种样品都遭受了强烈的元素溶解与LBE渗透腐蚀,T91比316L表现出了略好的抗LBE腐蚀性能.