控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置及方法制造方法及图纸

本公开提供了一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置及方法，控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置包括离子束传输系统、样品腔和液态铅铋回路系统，样品腔分别与离子束传输系统和液态铅铋回路系统连接；液态铅铋回路系统包括液态铅铋熔化罐、Ar系统、真空系统和经过第一液态铅铋阀门后构成的三条支路回路管道。本公开能够在不同氧浓度的条件下进行液态铅铋腐蚀和离子辐照相结合的研究实验，有利于进行不同氧浓度的条件下液态铅铋腐蚀材料及金属流体流动性实验研究。

【技术实现步骤摘要】
控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置及方法
本公开涉及液态铅铋腐蚀和离子辐照环境中的材料性能测试实验设备
，尤其涉及一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置及方法。
技术介绍
液态铅铋共晶(LBE)具有良好的中子学、物理及化学性能，是目前公认的铅基冷却反应堆(LFR)和加速器驱动次临界系统(ADS)首选冷却剂材料，同时也是一种重要的ADS散裂靶材料。服役于LBE作为冷却剂或散裂靶的先进核能系统中的结构材料面临的工况条件非常恶劣，不仅由高温、强辐照，而且还有液态铅铋引起的强腐蚀。液态铅铋对金属基结构材料的腐蚀行为主要分为氧化腐蚀和溶解腐蚀，均与液态铅铋中溶解的氧浓度有关。在高氧(＞10-6wt％)环境中，金属基结构材料内部的金属原子向外扩散、O离子向内扩散，在材料的表面会形成金属氧化层，氧化层长到一定的厚度容易发生脱落，进而增加管道堵塞上风险。在低氧(＜10-8wt％)环境中，金属材料Fe、Ni及Cr元素会大量溶解于腐蚀介质，造成结构元件质量损失，从而降低材料的机械负荷能力。基于控氧技术的发展，通过精确控制液态铅铋中溶解氧浓度，使之在材料表面形成一层致密、厚度适中金属氧化物层，可以有效防止或延缓液态铅铋腐蚀。在中子辐射环境中，结构材料和表面氧化层内部会产生的辐照缺陷(间隙子和空位)，由于辐照增强扩散效应，过饱和的缺陷会导致金属基体中合金元素的扩散系数大大增加。此外，辐照形成的高密度的位错结构被认为是一种金属离子和O离子扩散的快速通道，因此可以预见的是，中子辐照和液态铅铋腐蚀在材料中存在一定的协同效应。该协同作用效应是作为此类核能装置设计与建设中具有很高优先权的关键问题之一而备受重视，但目前对中子辐照/液态铅铋腐蚀协同效应的研究很少，所取得的实验数据也非常有限，其中部分原因是由于相关实验装置的缺乏。中国专利2013106302246提到一种离子辐照和液态铅铋腐蚀协同作用研究实验装置，虽然基本实现了辐照与液态铅铋腐蚀协同效应研究，但缺乏液态铅铋氧浓度控制系统，一般只能进行饱和氧浓度条件下的协同效应研究。此外，目前的液态铅铋回路一般还缺少必要的流体压力检测系统，实验功能相对单一。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置包括：液态铅铋回路系统、离子束传输系统、样品腔及应急安全系统；液态铅铋回路系统包括：液态铅铋熔化罐、液态铅铋储存罐、氧浓度控制室、液态铅铋屏蔽泵、电磁流量计、液态铅铋流量刻度罐、换热器、液态铅铋阀门组件及压力传感器组件、测温探头、Ar气系统及真空系统；离子束传输系统包括：电磁扫描设备、真空管道、真空泵、束流探测器、离子束斑探测器、快速相应阀门、液态铅铋泄漏罐及液态铅铋探测器；样品腔包括：实验样品、测温探头；液态铅铋回路系统、离子传输系统通过样品腔连接成一体。在本公开的一些实施例中，液态铅铋阀门组件包括：第一液态铅铋阀门、第二液态铅铋阀门、第三液态铅铋阀门、第四液态铅铋阀门和第五液态铅铋阀门；压力传感器组件包括：第一压力传感器和第二压力传感器；液态铅铋熔化罐通过回路管道与第一液态铅铋阀门连接，经过第一液态铅铋阀门的回路管道分成三个支路；第一个支路通过回路管道上依次设置的氧浓度控制室、第二液态铅铋阀门、液态铅铋泵及第二压力传感器与样品腔相连；第二支路通过回路管道上依次设置的加热器、电磁流量计、第三液态铅铋阀门，换热器、第四液态铅铋阀门及第一压力传感器与样品腔相连；第三液态铅铋阀门与换热器之间设置液态铅铋流量刻度罐；第三支路通过第五液态铅铋阀门与液态铅铋储存罐相连；第一支路、第二支路与样品腔组成闭合液态铅铋回路；液态铅铋回路系统中流入样品腔的回路管道与流出样品腔的回路管道呈对称的V型管道；第一传感器设置在V型管道的流入段；第二传感器设置在V型管道的流出段。在本公开的一些实施例中，氧浓度控制室腔体外侧设有加热器和保温层；氧浓度控制室的液态铅铋出口端设有Ar/H2混合气体进口，在液态铅铋入口端设有排气口；Ar/H2混合气进口通过气路管道与Ar/H2混合气钢瓶相连，在Ar/H2混合气钢瓶和Ar/H2混合气进口之间的气路管道上还设置气阀和气体过滤器；氧浓度控制室的腔体前后端分别布置氧浓度探测器；氧浓度控制室的腔体上还设有液位探测器、测温探头及气压计。在本公开的一些实施例中，真空系统包括：真空泵、真空计及真空气阀；真空泵通过真空管道分成两个真空支路；第一真空支路通过真空管道上依次设置的第一真空阀门、真空计与液态铅铋流量刻度罐相连；第二真空支路通过真空感到上依次设置的第二真空阀门、真空计与液态铅铋熔化罐相连；Ar气系统包括：Ar气钢瓶、Ar气阀、Ar气过滤器及压力表；Ar气钢瓶通过气路管道依次后接第一Ar气阀、第二Ar气阀及Ar气过滤器；经过Ar气过滤器的Ar气管道分成两个支路；第一Ar气支路上依次经过第三Ar气阀与液态铅铋流量刻度罐相连；第二Ar气支路依次经过第四Ar气阀与液态铅铋熔化罐相连。在本公开的一些实施例中，液态铅铋熔化罐内紧贴内壁设有液态铅铋出口管道，出口管道从罐体上方侧面穿出，通过第一液态铅铋阀门与液态铅铋回路相连；熔化罐外壁设有加热器、保温层和测温探头；熔化罐上设有真空盖板，在盖板上设置了液位计、抽气口、Ar气充气口、测温探头；测温探头能够升降调节；抽气口与真空系统连接；Ar气充气口与Ar气系统连接；液态铅铋流量刻度罐上设有真空盖板；液态铅铋流量刻度罐底部与液态铅铋回路管道相连；液态铅铋流量刻度罐外壁设有加热器、保温层和测温探头；液态铅铋流量刻度罐真空盖板上设置了液位传感器、真空抽气口、Ar气充气阀及测温探头；测温探头能够升降调节；真空抽气口与真空系统连接；Ar气充气阀与Ar气系统连接。在本公开的一些实施例中，实验样品的一侧在离子束流传输系统的真空管道内，正对离子辐照方向，实验样品的另一侧在液态铅铋回路中，与液态铅铋接触；测温探头伸入液态铅铋中，并与实验样品表面接触。在本公开的一些实施例中，离子束传输系统的真空管道前端设置X和Y方向的电磁扫描设备；真空管道内依次设置快速响应阀门、真空泵、真空计、半拦截式束流探测器、第一束斑探测器、冷却水套、拦截式束流探测器、第二束斑探测器及液态铅铋探测器；半拦截式束流探测器、拦截式束流探测器、第一束斑探测器和第二束斑探测器通过气动控制进行竖直升降。在本公开的一些实施例中，应急安全系统设置两路并行的保护系统；第一路保护系统包括：液态铅铋探测器、液态铅铋屏蔽泵及快速响应阀门；液态铅铋探测器发出液态铅铋泄漏警报，快速响应阀门会自动关闭，同时停止液态铅铋回路系统屏蔽泵运行；第二路保护系统包括：真空计、液态铅铋屏蔽泵及快速响应阀门；真空计设置真空度报警阈值，离子束传输系统的真空度低于阈值，快速响应阀门关闭，同时停止液态铅铋回路系统的液态铅铋屏蔽泵运行。根据本公开的另一个方面，提供了一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验方法，包括：步骤a：在实验装置启动前，先将金属铸锭放入液态铅铋熔化罐内并紧固液态铅铋熔化罐真空盖板，启动液态铅铋回路系统的真空泵，打开真空系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置，其中，包括：液态铅铋回路系统、离子束传输系统、样品腔及应急安全系统；所述液态铅铋回路系统包括：液态铅铋熔化罐、液态铅铋储存罐、氧浓度控制室、液态铅铋屏蔽泵、电磁流量计、液态铅铋流量刻度罐、换热器、液态铅铋阀门组件及压力传感器组件、测温探头、Ar气系统及真空系统；所述离子束传输系统包括：电磁扫描设备、真空管道、真空泵、束流探测器、离子束斑探测器、快速相应阀门、液态铅铋泄漏罐及液态铅铋探测器；所述样品腔包括：实验样品、测温探头；所述液态铅铋回路系统、所述离子传输系统通过所述样品腔连接成一体。

【技术特征摘要】
1.一种控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置，其中，包括：液态铅铋回路系统、离子束传输系统、样品腔及应急安全系统；所述液态铅铋回路系统包括：液态铅铋熔化罐、液态铅铋储存罐、氧浓度控制室、液态铅铋屏蔽泵、电磁流量计、液态铅铋流量刻度罐、换热器、液态铅铋阀门组件及压力传感器组件、测温探头、Ar气系统及真空系统；所述离子束传输系统包括：电磁扫描设备、真空管道、真空泵、束流探测器、离子束斑探测器、快速相应阀门、液态铅铋泄漏罐及液态铅铋探测器；所述样品腔包括：实验样品、测温探头；所述液态铅铋回路系统、所述离子传输系统通过所述样品腔连接成一体。2.根据权利要求1所述的控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置，其中，所述液态铅铋阀门组件包括：第一液态铅铋阀门、第二液态铅铋阀门、第三液态铅铋阀门、第四液态铅铋阀门和第五液态铅铋阀门；所述压力传感器组件包括：第一压力传感器和第二压力传感器；所述液态铅铋熔化罐通过回路管道与第一液态铅铋阀门连接，经过所述第一液态铅铋阀门的回路管道分成三个支路；第一个支路通过回路管道上依次设置的氧浓度控制室、第二液态铅铋阀门、液态铅铋泵及第二压力传感器与样品腔相连；第二支路通过回路管道上依次设置的加热器、电磁流量计、第三液态铅铋阀门，换热器、第四液态铅铋阀门及第一压力传感器与样品腔相连；第三液态铅铋阀门与换热器之间设置液态铅铋流量刻度罐；第三支路通过第五液态铅铋阀门与液态铅铋储存罐相连；所述第一支路、所述第二支路与所述样品腔组成闭合液态铅铋回路；所述液态铅铋回路系统中流入样品腔的回路管道与流出样品腔的回路管道呈对称的V型管道；所述第一传感器设置在所述V型管道的流入段；所述第二传感器设置在所述V型管道的流出段。3.根据权利要求1所述的控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置，其中，所述氧浓度控制室腔体外侧设有加热器和保温层；所述氧浓度控制室的液态铅铋出口端设有Ar/H2混合气体进口，在液态铅铋入口端设有排气口；所述Ar/H2混合气进口通过气路管道与Ar/H2混合气钢瓶相连，在所述Ar/H2混合气钢瓶和所述Ar/H2混合气进口之间的气路管道上还设置气阀和气体过滤器；所述氧浓度控制室的腔体前后端分别布置氧浓度探测器；所述氧浓度控制室的腔体上还设有液位探测器、测温探头及气压计。4.根据权利要求1所述的控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置，其中，所述真空系统包括：真空泵、真空计及真空气阀；所述真空泵通过真空管道分成两个真空支路；第一真空支路通过真空管道上依次设置的第一真空阀门、真空计与液态铅铋流量刻度罐相连；第二真空支路通过真空感到上依次设置的第二真空阀门、真空计与液态铅铋熔化罐相连；所述Ar气系统包括：Ar气钢瓶、Ar气阀、Ar气过滤器及压力表；所述Ar气钢瓶通过气路管道依次后接第一Ar气阀、第二Ar气阀及Ar气过滤器；经过所述Ar气过滤器的Ar气管道分成两个支路；第一Ar气支路上依次经过第三Ar气阀与液态铅铋流量刻度罐相连；第二Ar气支路依次经过第四Ar气阀与液态铅铋熔化罐相连。5.根据权利要求1所述的控氧液态铅铋腐蚀和离子辐照协作研究实验装置，其中，所述液态铅铋熔化罐内紧贴内壁设有液态铅铋出口管道，出口管道从罐体上方侧面穿出，通过第一液态铅铋阀门与液态铅铋回路相连；熔化罐外壁设有加热器、保温层和测温探头；熔化罐上设有真空盖板，在盖板上设置了液位计、抽气口、Ar气充气口、测温探头；所述测温探头能够升降调节；所述抽气口与所述真空系统连接；所述Ar气充气口与所述Ar气系统连接；所述液态铅铋流量刻度罐上设有真空盖板；所述液态铅铋流量刻度罐底部与液态铅铋回路管道相连；所述液态铅铋流量刻度罐外壁设有加热器、保温层和测温探头；所述液态铅铋流量刻度...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚存峰，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62