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Nuclear Science and Techniques 2022年第3期33卷 77-88页

作者： Xiao-Bo Li Rui-Xian Liang Yi-Feng Wang Hui-Ping Zhu Fang Liu Yang Liu Cong Li Hao Wu Feng-Lei Niu School of Nuclear Science and Engineering North China Electric Power UniversityBeijing 102206China

In the present work,a new transient calculation method for parameters that can be used to evaluate the ability of oxygen control in a non-isothermal lead-bismuth eutectic(lbe)loop with solid-phase oxygen control was proposed.It incorporates the dissolution process of PbO particles and the oxygen mass transfer process,and an optimized method was used for finding out the optimized oxygen mass transfer coefficient.In numerical terms,three mass transfer models were simultaneously applied,and comparisons of calculated and experimental results from the CRAFT loop indicated that the optimized calculation method and these new oxygen mass transfer models were correct and applicable to other lbe loops.Through this calculation method,we aimed to optimize prediction of the distribution of oxygen and iron concentrations,time taken to establish the steady state of oxygen,and maximum dissolution/precipitation rates of corrosion products and corrosion depth across the entire lbe loop.We hope that this work will provide a potential reference for designing a more intelligent oxygen control system in the future.

关键词： lbe Solid-phase oxygen control Operating domain Operating model Corrosion depth Dissolution/precipitation

Ni、Fe杂质在lbe中的化学行为的深度势能分子动力学研究

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原子能科学技术 2023年第12期57卷 2376-2387页

作者：梁汝婷薄涛聂长明张蕾柴之芳石伟群南华大学化学化工学院湖南衡阳421001 中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料实验室浙江宁波315201 中国科学院高能物理研究所核能放射化学实验室北京100049

液态铅铋共晶(lbe)与结构材料的相容性,是其在先进反应堆中应用的难题之一。实验方法研究材料腐蚀产生的杂质原子在lbe中的扩散性质等化学行为较为困难,而传统的理论计算包括密度泛函理论(DFT)和经典分子动力学(MD)方法分别存在模拟尺... 详细信息

液态铅铋共晶(lbe)与结构材料的相容性,是其在先进反应堆中应用的难题之一。实验方法研究材料腐蚀产生的杂质原子在lbe中的扩散性质等化学行为较为困难,而传统的理论计算包括密度泛函理论(DFT)和经典分子动力学(MD)方法分别存在模拟尺度与模拟精度的限制。为了解决这一问题,本文采用近年提出的基于DFT计算、机器学习和深度神经网络的深度势能(DP)力场训练方法。该方法通过DFT计算生成数据集进行深度学习,得到能准确描述原子间作用力的DP模型。使用DP模型进行MD模拟,既能具有DFT的精度也能进行大体系和长时间尺度的模拟。本文研究了杂质原子Ni、Fe在lbe中的微观结构和扩散系数,同时计算了lbe的密度、热容、黏度等热物理性能参数。结果表明,杂质原子与Bi原子有更强的作用力,温度升高,原子间的作用力减小,两种杂质原子有着相似的配位情况,但Ni原子的配位数(CN)分布较为分散,Fe的CN较为集中,Ni相对于Fe在lbe中有更快的扩散速度。预测的密度、热容、黏度等热物理性能参数与实验结果吻合良好,并且优于经典力场MD的结果。

关键词： lbe 热物理性质扩散系数第一性原理分子动力学机器学习

辐照损伤对马氏体钢lbe腐蚀的影响及机制研究

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辐照损伤对马氏体钢LBE腐蚀的影响及机制研究

作者：秦畅华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

利用液态Pb或铅铋共晶(Lead bismuth eutectic,lbe)作为冷却剂的铅冷快堆(Lead cooled fast reactor,LFR)采用通过闭式燃料循环方式,具有良好的核废料嬗变和核燃料增殖能力,及较高的安全性和经济性,在未来具有广阔的应用潜力。尽管铅冷... 详细信息

利用液态Pb或铅铋共晶(Lead bismuth eutectic,lbe)作为冷却剂的铅冷快堆(Lead cooled fast reactor,LFR)采用通过闭式燃料循环方式,具有良好的核废料嬗变和核燃料增殖能力,及较高的安全性和经济性,在未来具有广阔的应用潜力。尽管铅冷快堆具备一系列技术优势和潜在应用前景,但材料问题依然是制约铅冷快堆发展的主要瓶颈问题。辐照损伤如何影响液态金属腐蚀是铅冷快堆研发亟需解决的关键科学问题之一,也是当前铅冷快堆结构材料研究的一个热点问题。本文首先采用 He 离子束(350℃,2MeV、350℃,2.8MeV、500℃,1.4MeV)对SIMP/T91钢进行辐照试验,然后在液态饱和氧浓度lbe(350℃、500℃)中,以及低氧浓度lbe(500℃)中进行静态腐蚀试验,使用SEM、EDS、XRD等多种表征测试方法对试样横截面形貌、腐蚀后氧化层结构进行表征,主要包括以下几方面研究工作:(1)研究时间对腐蚀的影响:随着腐蚀时间的增加,SIMP/T91钢腐蚀氧化层厚度有明显的增加,同时均生成了外层以Fe3O4为主,内层以(Fe,Cr)3O4尖晶石为主的双层氧化膜。但是随着时间的增加发现内氧化层出现了裂缝,加剧O元素向基体扩散,促进了腐蚀的发生,SIMP氧化层生长动力学规律也从h=0.054t0.4转变成了h=0.067×exp(t/2185)+1.138,生长速率由逐渐降低转变为逐渐增加。(2)研究温度对腐蚀的影响:随着腐蚀温度的升高,SIMP/T91钢腐蚀氧化层厚度有明显的增加,SIMP/T91钢在500℃ lbe环境下的腐蚀氧化层厚度大于5μm,在350℃ lbe环境下的腐蚀氧化层厚度低于2μm。温度对腐蚀的影响极为显著。(3)研究辐照剂量对腐蚀的影响:在350℃的实验环境中,高辐照剂量的样品氧化层厚度相比于未辐照样品有一定的增长;在500℃的实验环境中,腐蚀氧化层厚度随着辐照剂量的不断增加出现了先增加后减少的现象,同时在SIMP钢和T91钢中发现了 Cr2O3,在辐照剂量为1×1017ions/cm2的SIMP钢中发现了 SiO2的生成,说明高辐照剂量会促进Cr、Si元素的析出,形成致密的内氧化层抑制腐蚀的发生。(4)当lbe中氧浓度降至为2×10-7wt%时,F/M钢主要以溶解腐蚀为主,看不到氧化层的生成,同时随着辐照剂量的不断增大,SIMP钢出现了抑制溶解腐蚀的现象,在材料的截面处发现了存在Si、Cr元素的富集,推测由于Si、Cr元素的富集阻碍了溶解腐蚀行为。

关键词： lbe 辐照损伤液态金属腐蚀 SIMP/T91钢氧浓度

第一性原理研究液态铅铋合金及杂质对Fe4O3体及表面的腐蚀性能

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第一性原理研究液态铅铋合金及杂质对Fe4O3体及表面的腐蚀性能

作者：张孙靖康华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

液态铅铋合金（lbe）拥有着优良的物理和热力学性能,目前主要作为冷却剂,应用于第四代反应堆铅冷快堆中。然而lbe的腐蚀性却使其显得美中不足。控制lbe的腐蚀性,最大程度利用其优势,减小其副作用,是使用lbe的关键。目前研究多是在实验... 详细信息

液态铅铋合金（lbe）拥有着优良的物理和热力学性能,目前主要作为冷却剂,应用于第四代反应堆铅冷快堆中。然而lbe的腐蚀性却使其显得美中不足。控制lbe的腐蚀性,最大程度利用其优势,减小其副作用,是使用lbe的关键。目前研究多是在实验上观察钢体材料在lbe中被腐蚀的情况,并提出针对性的防腐蚀措施。其中最有效的一种控制lbe腐蚀性的方法就是控制lbe中的氧含量,使lbe与钢体材料接触后,在钢体材料表面形成保护性氧化膜Fe3O4,以此阻隔lbe与钢体材料直接接触,达到控制lbe腐蚀性的目的。但是,lbe对Fe3O4也存在腐蚀,研究lbe对Fe3O4的腐蚀规律,最大程度发挥Fe3O4的保护性便是本文研究的重点。本文采用第一性原理计算方法研究lbe对Fe3O4体及其表面的腐蚀性能。主要考虑的是lbe中的Pb、Bi和PbO,进入Fe3O4体及其表面结构后的腐蚀行为。计算结果表明无论在Fe3O4整体还是表面上,Bi取代Fe的形成能都略大于Pb,而PbO缺陷的形成能远远大于Pb和Bi,这表明PbO的腐蚀能力弱于Pb和Bi。Fe3O4中的四面体位置是最容易形成缺陷的位置,易受到外来杂质的攻击,氧化膜的腐蚀就是从这里开始的。在掺杂情况下,Fe原子在Fe3O4（110）面上的解离能最小,在（111）面上最大,这表明掺杂后,Fe3O4（110）面的耐腐蚀性最差。在无掺杂情况下,（100）表面的耐蚀性最差。通过对比掺杂和未掺杂的情况可以看出,Pb、Bi、PbO的掺杂会进一步削弱Fe3O4膜的耐蚀性。我们的研究结果还说明在Fe3O4中,Fe更容易被多个杂质取代,而不是只被单一杂质取代。

关键词： Pb、Bi、PbO杂质腐蚀性能 Fe3O4 lbe 第一性原理

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含氮奥氏体不锈钢的耐腐蚀性及力学性能研究

含氮奥氏体不锈钢的耐腐蚀性及力学性能研究

作者：王志隆江苏大学

学位级别：硕士

在海洋移动式核电站中,核电站构件长期遭受恶劣的腐蚀环境(反应堆冷却剂—铅铋共晶合金(lbe)的腐蚀以及海洋环境对材料表面的腐蚀),传统奥氏体不锈钢中Ni元素会在lbe中优先溶解,加速材料的腐蚀进程。含氮奥氏体不锈钢利用N、Mn代替Ni元... 详细信息

在海洋移动式核电站中,核电站构件长期遭受恶劣的腐蚀环境(反应堆冷却剂—铅铋共晶合金(lbe)的腐蚀以及海洋环境对材料表面的腐蚀),传统奥氏体不锈钢中Ni元素会在lbe中优先溶解,加速材料的腐蚀进程。含氮奥氏体不锈钢利用N、Mn代替Ni元素,避免了Ni元素在lbe中的溶解,提升了表面钝化膜的稳定性,提高材料在环境中的耐腐蚀性,满足海洋移动式核电站构件苛刻的使用要求,因此研究含氮奥氏体钢在lbe中的腐蚀行为以及在不同浓度的Na Cl溶液中的电化学腐蚀行为具有重要的理论意义和实际应用价值。本文选用四种不同氮含量的奥氏体不锈钢N1、N2、N3、N4分别在400、500℃lbe中试验500、1000、1500h,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子万能试验机等试验设备研究了试样腐蚀行为及力学性能变化;使用电化学工作站对四种材料分别在不同浓度的Na Cl溶液中进行动电位极化测试以及在3.5%Na Cl溶液中的进行电化学阻抗(EIS)测试,研究了含氮奥氏体不锈钢耐电化学腐蚀性能。获得以下主要结论:在lbe腐蚀中,当试验温度为400℃时,随着腐蚀时间的增加,试样的溶解与氧化腐蚀程度加剧。N1奥氏体不锈钢耐腐蚀性较差,在500h即发生表面氧化腐蚀,生成单层氧化物,1000h后表面生成双层氧化物,1500h表面氧化物脱落,形成较大腐蚀坑;试样N2在腐蚀时间为1500h时,试样表面形成双氧化层结构,腐蚀层未发生剥落;试样N3、N4腐蚀1500h时,表面以溶解腐蚀为主,氧化腐蚀轻微,表现出良好的耐铅铋腐蚀性。当试验温度升至500℃后,元素扩散速度增大并且合金元素在lbe中的溶解度增加,故腐蚀进程加速。N1、N2、N4在腐蚀500h后均发生氧化腐蚀,并且随腐蚀时间的增加,氧化层厚度随之增长,溶解腐蚀表现不明显;试样N3在腐蚀500h后发生溶解腐蚀,随腐蚀时间的增长发生氧化腐蚀,且生成氧化层厚度较小表现出良好的耐高温腐蚀性。在400℃lbe腐蚀环境中,随着腐蚀时间的增长,拉伸断口断面收缩率及冲击韧性均呈下降的趋势,抗拉强度有所升高。氮含量对拉伸断口断面收缩率及冲击韧性影响不大,抗拉强度随合金中氮含量的升高呈先升后降的趋势。试样N3具有最高的抗拉强度,拉伸与冲击均为韧性断裂,断口的韧窝随腐蚀时间的延长由深变浅。当温度为500℃时,在相同腐蚀时间下,N1具有较强的温度敏感性,断面收缩率、抗拉强度以及冲击韧性明显下降。腐蚀温度对试样N2、N3、N4力学性能影响不大,与在400℃lbe中力学性能相差无几且变化趋势相同。试样N1冲击与拉伸断口形貌均表现出脆性断裂的特征,试样N2随腐蚀时间的增长,冲击断口形貌由韧性断裂转变为韧脆混合断裂的特征,N3、N4断口形貌随腐蚀时间增长仍保持塑性断裂的特征,表现出良好的耐高温老化性。电化学试验表明,当Cl浓度低于4.5%时,材料的腐蚀电位(Eorr)较高,电化学腐蚀倾向较低,但当Cl浓度超过一定范围后,Eorr迅速降低,材料自腐蚀倾向增大。试样N2点蚀电位(E)几乎不受Cl浓度的影响,均大于1.2V,表现出较高的耐腐蚀性。在3.5%的NaCl溶液中,随着氮含量的升高,电荷转移电阻(Rt)和钝化膜厚度(LS)先升后降,N2具有最高的Rt和LS(4.222×10Ω·cm、6.688×10m),表现出良好的耐电化学腐蚀性。

关键词：含氮奥氏体不锈钢 lbe 腐蚀温度腐蚀时间氧化腐蚀溶解腐蚀电化学腐蚀

氧化物颗粒对液态铅铋合金流动与换热的影响研究

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氧化物颗粒对液态铅铋合金流动与换热的影响研究

作者：高志勇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

液态铅铋共晶合金(Lead-Bismuth Eutectic,lbe)作为第四代的先进反应堆的冷却剂,以其良好的导热性和自然循环能力等诸多优势已受到了广泛的青睐,但为防止lbe腐蚀管道而采用氧控方法引入的氧气会在反应堆中产生杂质氧化物,不仅会堵塞狭... 详细信息

液态铅铋共晶合金(Lead-Bismuth Eutectic,lbe)作为第四代的先进反应堆的冷却剂,以其良好的导热性和自然循环能力等诸多优势已受到了广泛的青睐,但为防止lbe腐蚀管道而采用氧控方法引入的氧气会在反应堆中产生杂质氧化物,不仅会堵塞狭窄管路,还会对管道壁面产生冲蚀作用,严重威胁了反应堆的安全运行。然而在目前的研究中,并未深入探究不同条件下对lbe中各粒径范围的颗粒质量分布的影响。为此,本研究以lbe及其中的氧化物为研究对象,利用CFD软件针对lbe管道中杂质颗粒物的生成及其运动特性开展研究。为明晰铅铋堆内杂质分布以及其去除工作提供理论支持。lbe的温度分布会极大程度地影响颗粒物的生成及运动特性,为此模拟了lbe在环形管路中的流动换热,同时考虑了实际工程中管道壁面处氧化层的存在而引入的额外热阻,通过将计算值与实验值比较,发现Jischa湍流普朗特数模型结合标准k-ε模型更适用于lbe的流动换热计算。在理论分析的基础上,引入了lbe湍流流动对Pb O颗粒生长过程的影响,修正了颗粒的生长模型。首先使用群体平衡模型方法对二维lbe管路中颗粒成核生长进行数值计算,验证了修正模型后将其推广至三维几何模型进行研究。结果表明,修正后模型能更好地预测氧气质量浓度的变化;未达到成核点之前通道中氧浓度不变,成核点后氧气消耗速率受到饱和氧浓度限制;模拟发现超过90%的氧化物颗粒直径集中于10～10m范围。在不同入口氧浓度与质量流量工况下模拟了颗粒物成核生长的情况,其研究结果表明,管道中氧浓度低于饱和值时不会发生成核现象;增加氧浓度会提前成核位置,并增加各粒径范围内颗粒的数密度和质量;提升lbe质量流量会使管道中温度升高,延后成核位置,降低不同粒径范围内颗粒物的生成质量;质量流量的变化对通道中的温度和饱和氧浓度同时产生影响,进而对管道内颗粒物的成核生长产生更大的影响。基于成核生长研究中得到的颗粒粒径分布,使用欧拉-拉格朗日方法研究颗粒在不同堆芯子通道中的lbe-颗粒液固两相流动。结果表明,颗粒粒径、入口lbe的温度和流速的增加都会促进颗粒的沉积,粒径和流速的增加会恶化颗粒对壁面的冲蚀效果,而升温会减少颗粒对壁面冲蚀量;在各子通道中,颗粒在中心通道中的湍流沉积率最大,对边通道的冲蚀效果最为恶劣。

关键词： lbe CFD-PBM 成核生长液固两相流动流动与传热

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铅铋合金系统氧控旁路性能数值研究

核动力工程 2021年第5期42卷 189-194页

作者：李小波王译锋朱卉平刘洋牛风雷华北电力大学核科学与工程学院北京102206

为研究通过固态氧控有效调节铅铋合金(lbe)系统氧浓度的方法,本文通过修正液态lbe腐蚀经验公式,结合氧化铅(PbO)溶解模型,基于集总参数法并使用FORTRAN语言自编程序计算lbe系统氧浓度;据此研究主回路流量、质量交换器(MX)内温度、PbO装... 详细信息

为研究通过固态氧控有效调节铅铋合金(lbe)系统氧浓度的方法,本文通过修正液态lbe腐蚀经验公式,结合氧化铅(PbO)溶解模型,基于集总参数法并使用FORTRAN语言自编程序计算lbe系统氧浓度;据此研究主回路流量、质量交换器(MX)内温度、PbO装量对自主设计的小型lbe系统的MX供氧性能的影响;初步建立MX设计准则,获得一定约束条件下MX供氧性能及其氧控旁路设计参数。本研究可为lbe系统氧控旁路的设计和计算提供参考,同时提供一种高效求解lbe系统瞬态氧浓度和腐蚀的计算方法,为建立氧浓度模型预测系统提供新思路。

关键词：集总参数法 lbe 腐蚀 PbO溶解模型

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铁在液态铅铋合金中腐蚀的分子动力学研究

工程热物理学报 2017年第3期38卷 557-561页

作者：刘捷甄琦赵灿军卢文强中国科学院大学工程科学学院北京101408

液态铅铋合金(lbe)是一种性能优异的材料,在加速驱动系统(ADS)中作为散裂靶和冷却剂材料。然而,在ADS中,贮存lbe的容器和结构钢材料在高温下与lbe直接接触时会被严重腐蚀。本文研究该腐蚀和金属Cr、Ni减轻该腐蚀的机制。研究发现,铁在LB... 详细信息

液态铅铋合金(lbe)是一种性能优异的材料,在加速驱动系统(ADS)中作为散裂靶和冷却剂材料。然而,在ADS中,贮存lbe的容器和结构钢材料在高温下与lbe直接接触时会被严重腐蚀。本文研究该腐蚀和金属Cr、Ni减轻该腐蚀的机制。研究发现,铁在lbe中被腐蚀的微观机制是由于铁原子与lbe原子相互渗透,破坏了铁材料结构;铁中掺入Cr、Ni可以有效减轻铁的腐蚀,其微观机理为金属Cr、Ni加入到铁后阻止了lbe原子渗入铁材料中破坏其结构。

关键词：腐蚀分子动力学 lbe 扩散系数

基于多相CFD的LIFUS5/Mod2小泄漏注射实验仿真

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科技风 2022年第12期 81-84页

作者：张泂杨红义侯斌牛志新乔鹏瑞中国原子能科学研究院北京102413

蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故是铅冷快堆(LFR)的设计基础事故。本文针对ENEA C.R.Brasimone中心的LIFUS5/Mod2试验台架构建计算域进行注射实验的仿真,通过分析蒸汽泡形成扩散原理选取了合适的气泡受力模型,使用欧拉多相流模型仿真了... 详细信息

蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故是铅冷快堆(LFR)的设计基础事故。本文针对ENEA C.R.Brasimone中心的LIFUS5/Mod2试验台架构建计算域进行注射实验的仿真,通过分析蒸汽泡形成扩散原理选取了合适的气泡受力模型,使用欧拉多相流模型仿真了将240℃的水以1m/s的速度注入400℃的lbe中的实验工况。结果表明,蒸汽泡产生非常迅速,并在1s内到达上部氩气空间,在2s时检测到容器内压力达到0.8MPa。

关键词： lbe 水水蒸气 SGTR

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金属合金lbe全局物态方程的初步研究

材料导报 2011年第24期25卷 1-4页

作者：林平闫雪松杨阳阳刘斌杰中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院研究生院北京100000

基于单质全局物态方程模型QEOS(Quotidian equation of state),通过求解平均原子模型的混合物Thomas-Fermi方程以及将混合元素平均为单一虚拟元素的方法得到了混合物状态方程。对铅铋混合物lbe的物态方程做了初步研究,计算了lbe在给定... 详细信息

基于单质全局物态方程模型QEOS(Quotidian equation of state),通过求解平均原子模型的混合物Thomas-Fermi方程以及将混合元素平均为单一虚拟元素的方法得到了混合物状态方程。对铅铋混合物lbe的物态方程做了初步研究,计算了lbe在给定温度与密度下的压强、电离度等,并分析了电离平衡和不同温度、密度下电子及离子对总压强的贡献。

关键词：混合物状态方程 QEOS lbe