BREST-OD-300重型冷却剂质量控制与支持系统的研发现状

作者与机构
本文由A.I. Orlov（私营企业“Proryv”创新与技术中心，莫斯科）、Yu.I. Orlov与V.A. Gulevskiy（俄罗斯联邦国家科学中心物理与动力研究所，奥布宁斯克）合作完成，发表于2020年《Journal of Physics: Conference Series》第1475卷，文章编号012018。

研究背景与目标
液态铅因其优异的核物理特性（低中子俘获截面、高沸点、低蒸汽压）被选为俄罗斯自然安全快堆（NF BREST-OD-300）的主冷却剂。然而，其应用面临技术挑战：与结构材料的腐蚀反应、氧含量调控困难、杂质沉积等问题。本研究旨在开发一套重型冷却剂质量支持与控制系统（Coolant Quality Support and Control System, CQSCS），通过创新技术手段确保冷却剂在数十年运行周期内的稳定性。研究基于苏联时期铅铋合金冷却剂的积累经验，但针对BREST-OD-300的规模与参数进行了适应性改进。

系统开发流程与关键技术
1. 氧活性传感器（Oxygen Activity Sensor, OAS）
- 设计验证：开发了集成三敏感元件的传感器结构，采用氧化钇稳定氧化锆（ZrO₂+Y₂O₃）作为固态电解质，参考电极为Bi-Bi₂O₃。通过10,000小时实验室测试验证其长期稳定性。
- 算法开发：提出基于电动势（EMF）的氧浓度计算模型（公式：𝐸(𝑚𝑉)=−389+0.326𝑇−0.09992𝑇lg(𝐶)），并开发多电极信号处理算法，误差控制在±5%以内。
- 待完成工作：需通过氧热力学活性（TDA）再现方法的认证及传感器资源测试。

1. 质量交换装置（Mass Exchange Device, ME）

   • 氧源选择：采用氧化铅（PbO）颗粒作为固态氧源，通过调节熔铅流速与温度（450–600°C）控制溶解速率。
     
   • 实验验证：在非等温循环试验台上验证了ME可维持氧浓度在1×10⁻⁶–4×10⁻⁶ wt.%的优化区间，避免腐蚀或结渣。
     

2. 氢清洁技术（Hydrogen Cleaning, HC）

   • 工艺原理：向冷却剂注入氢-水蒸气混合气体，通过气体分散器（Gas Disperser, GD）形成微气泡流，还原铅氧化物沉积物（如Pb₃O₄→Pb+H₂O）。
     
   • 操作参数：启动条件为氮气浓度≤4 vol.%，清洁时长24–100小时，频率取决于运行中渣量积累。
     

3. 冷却剂过滤器

   • 材料筛选：测试了硅玻璃纤维、碳纤维复合织物、α-Al₂O₃颗粒等材料，最终选用EP302不锈钢纤维毡，在动态铅熔体中验证了1,000小时的热稳定性。
     
   • 液压特性：设计压降≤0.1 MPa，可截留≥10 μm的颗粒杂质。
     

核心成果与逻辑关联
- 氧调控体系：OAS实时监测氧活性，ME补充溶解氧，HC去除过量氧化物，三者形成闭环控制，确保结构材料表面形成稳定的Fe₃O₄保护膜。
- 杂质管理：过滤器与氢清洁协同作用，减少固体沉积物对流道堵塞的风险。实验数据表明，该系统可将腐蚀速率降低至0.01 mm/年以下。

科学价值与应用意义
1. 技术突破：首次将铅铋合金冷却剂技术扩展至工业级铅冷却快堆，解决了大尺度回路中的氧控制与腐蚀防护难题。
2. 工程应用：CQSCS已纳入BREST-OD-300设计文件，为俄罗斯闭式燃料循环核能战略提供关键支持。
3. 方法论创新：开发的多电极氧传感器和氢清洁工艺为其他液态金属冷却堆（如铅冷快堆LFR）提供了技术参考。

研究亮点
- 跨学科整合：结合电化学（OAS）、热力学（ME）、流体力学（GD）等多领域技术。
- 资源验证：关键设备（如OAS、过滤器）通过超长时效测试（≥10,000小时），满足核级耐久性要求。
- 历史延续性：继承苏联时期铅铋冷却剂的研究基础，但针对新型反应堆参数进行了全面升级。

遗留问题与展望
需完成氧传感器认证及氢清洁长期频率优化研究。未来可探索AI驱动的氧浓度动态调控算法，进一步提升系统响应速度。