華北電力大學(xué)先進(jìn)堆關(guān)鍵技術(shù)研究室(NCEPU ART Lab)成員梁瑞先，在A(yíng)nnals of Nuclear Energy發(fā)表題為"Annals of Nuclear Energy"的文章。該文章氧傳感器是用于液態(tài)鉛鉍共晶(LBE)體系的活性氧控制系統(OCS)的主要組成部分。在靜態(tài)氧飽和LBE中，采用LSCF(鑭鍶鈷鐵氧體)/空氣參比電極，利用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)固體電解質(zhì)傳感器測量電動(dòng)勢(EMF)，得到電動(dòng)勢與溫度的關(guān)系。氧傳感器的電動(dòng)勢輸出是確定的和可預測的。

在本研究中，氧傳感器采用LSCF作為參比電極材料，YSZ作為固體電解質(zhì)。將LSCF/空氣氧傳感器應用于液體LBE回路，并評價(jià)其性能。

實(shí)驗原理

氧傳感器的工作原理如圖1所示，YSZ作為探頭插入液體LBE中，LBE必須浸入YSZ的高度對應于含有參比電極粉末的內表面部分。

圖1氧傳感器原理圖

試驗設備為強制循環(huán)回路，稱(chēng)為UPBEAT回路。UPBEAT回路用于進(jìn)行氧氣控制，材料和熱工實(shí)驗。管道和容器的材料都是316L不銹鋼鋼。設備主要包括LBE儲罐、電磁泵、永磁電磁流量計和膨脹罐?；芈饭苌显O置有熱段加熱器和冷段散熱器，如圖2所示。

圖2 UPBEAT回路原理圖

圖3 UPBEAT回路內部圖

氧傳感器性能的測試

氧傳感器物理示意圖如圖3(a)所示，傳感器在膨脹罐中的安裝位置如圖3(b)所示。膨脹罐上方設有若干安裝孔。傳感器從安裝孔插入膨脹罐內的液體LBE，并通過(guò)密封法蘭連接。

圖4氧傳感器結構及安裝位置

結果分析

對氧傳感器#3(LSCF/空氣參比)和氧傳感器#10(LSM/空氣參比)進(jìn)行了測試。實(shí)驗溫度從500℃逐漸降低到350℃，溫度階梯為50℃，同時(shí)采集兩個(gè)傳感器的電勢。實(shí)驗結果如圖5所示。紅色曲線(xiàn)為3號氧傳感器的電動(dòng)勢，藍色曲線(xiàn)為10號氧傳感器的電動(dòng)勢。

這兩條電動(dòng)勢曲線(xiàn)基本重合。結果表明，兩種傳感器測得的從空氣到LBE的電化學(xué)氧勢相同，證明了LSCF/空氣傳感器的可靠性。

圖5氧飽和LBE下的校準試驗

分別對傳感器4、傳感器7、傳感器8和傳感器9在氧飽和LBE下進(jìn)行低溫試驗。四個(gè)氧傳感器的具體信息如表1所示，低溫極限測試結果如圖6所示。從圖8中深黃色的電動(dòng)勢曲線(xiàn)可以看出，當溫度低于270℃時(shí)，傳感器9開(kāi)始偏離理論值。亮綠色曲線(xiàn)顯示，傳感器8在整個(gè)測試溫度范圍內都能正常工作，其最低測試溫度為210℃。藍色曲線(xiàn)和紅色曲線(xiàn)分別代表傳感器7和傳感器4的工作電動(dòng)勢。兩條曲線(xiàn)的變化趨勢表明，當兩個(gè)氧傳感器的溫度低于200℃時(shí)，電動(dòng)勢偏離理論值。根據四種氧傳感器的低溫極限溫度測試結果，可以認為L(cháng)SCF/空氣傳感器在低溫區域仍能穩定準確地輸出LBE與參考側氧濃度之差所產(chǎn)生的電動(dòng)勢。本實(shí)驗的溫度范圍基本覆蓋了非等溫LBE體系的低溫區域，實(shí)驗數據為氧傳感器的應用提供了重要的參考價(jià)值。

表1用于測試的氧傳感器信息

圖6氧傳感器4、7、8、9的低溫極限試驗

總結

對于用于測量液體LBE中氧濃度的氧傳感器，現有文獻表明，大多數氧傳感器具有較高的應用溫度范圍。因此，本文的目的是開(kāi)發(fā)能在低溫LBE流動(dòng)環(huán)境下穩定工作的氧傳感器?；陔娀瘜W(xué)原理，研制了以YSZ為固體電解質(zhì)，LSCF/空氣為參比電極的氧傳感器。根據氧傳感器在校準平臺和UPBEAT回路的實(shí)驗結果得出以下結論:

1)當Ta線(xiàn)作為傳感器參考側的電信號提取線(xiàn)時(shí)，會(huì )影響傳感器的電動(dòng)勢信號，而316L線(xiàn)和Mo線(xiàn)對傳感器的電動(dòng)勢信號沒(méi)有影響。

2)在高溫區域測試中，LSCF/空氣參考傳感器與LSM/空氣參考傳感器具有相同的電勢，LSCF/空氣參考傳感器在500℃的高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的工作性能。

3)下限溫度測試表明，LSCF/空氣參考傳感器在低至200℃時(shí)仍能正常工作。

4)在低溫和高溫環(huán)境下對氧傳感器進(jìn)行短路試驗，電動(dòng)勢均能恢復到初始值，證明了LSCF/空氣傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)和響應特性。

5)LSCF/空氣參比傳感器可以在流動(dòng)的液態(tài)鉛鉍環(huán)境中正常工作，具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應特性。

一般來(lái)說(shuō)，本文研制的LSCF/空氣參考傳感器的有效工作溫度范圍為200℃~500℃。它可用于監測液體LBE流動(dòng)環(huán)境中的氧濃度，具有良好的動(dòng)力學(xué)和響應性。