Важнейшей примесью в ТЖМТ является кислород, растворенный в теплоносителе. При наличии в свинцовом (свинцово-висмутовом) теплоносителе достаточного количества растворенного кислорода на поверхностях конструкционных сталей циркуляционного контура и оборудования формируются оксидные пленки, которые обеспечивают защиту поверхностей от коррозионно-эрозионного воздействия теплоносителя. В силу оксидной природы защитных пленок их состояние в процессе эксплуатации установки в значительной степени определяется кислородным режимом, т. е. содержанием растворенного кислорода в теплоносителе.
Характерное изменение концентрации растворенного кислорода в теплоносителе при эксплуатации контура c ТЖМТ
Для того, чтобы обеспечить поддержание условий в теплоносителе для обеспечения коррозионной стойкости конструкционных сталей, которые сводятся к поддержанию термодинамической активности кислорода в заданных границах, необходимо было решить следующие задачи:
- создать средство измерения термодинамической активности кислорода в ТЖМТ;
- создать устройство регулируемого ввода растворенного кислорода в ТЖМТ;
- создать систему управления процессом.
Для решения задачи измерения термодинамической активности (ТДА) кислорода в ТЖМТ специалистами АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» были разработаны и аттестованы как средство измерения различные конструкции и модификации датчиков для контроля ТДА кислорода, включающие ДАК-01, ДАК-02, ДАК-03, измерительный канал ТДА кислорода для реакторных установок. Данные модификации отличаются конструктивно и используются в зависимости от требований установок с ТЖМТ.
Основным элементом датчика активности кислорода является керамический чувствительный элемент (КЧЭ) на основе диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия. В результате проведенных исследований специалистами АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» установлено, что КЧЭ на основе твердых электролитов из оксидной керамики способны работать длительное время в условиях повышенных температур и термоударов в расплавах металлов (в газах), обладают стабильностью проводящих и механических свойств, термостойкостью, низкой газопроницаемостью. Разработан оптимальный химический и фазовый состав для придания КЧЭ вышеперечисленных свойств. Выполнено расчетно-экспериментальное обоснование геометрической формы керамического чувствительного элемента датчика, с точки зрения наилучшей прочности, термостойкости, гидродинамики в потоке расплава. Также разработаны различные герметичные способы крепления металла с керамикой, такие как высокотемпературный герметик (ситалл), графитовое уплотнение, паянные соединения.
Для аттестации ДАК и выполнения их периодической метрологической поверки разработаны и аттестованы установки, позволяющие воспроизводить заданные уровни ТДА кислорода в ТЖМТ.
Отдельно следует отметить успешную научно-исследовательскую работу по созданию эталона ТДА кислорода в расплаве свинца, в рамках которой был выполнен цикл теоретических, экспериментальных, конструкторских и метрологических работ. В результате этих работ стало возможным изготовление поверочной установки, способной воспроизводить ТДА кислорода в расплаве свинца с высокой точностью (погрешность воспроизведения среды составляет от 2 до 7 % в зависимости от метода воспроизведения) в любой точке диапазона ТДА кислорода от 10-6 до 1, что является крайне важным для выполнения поверки измерительных каналов для реакторных установок, имеющих жесткие требования к погрешности измерения ТДА кислорода.