Датчик натрия для измерения редокс-потенциала солевого расплава

Предложенное решение относится к области атомной техники и может быть использовано преимущественно для жидкосолевых ядерных реакторов (ЖСР), пирохимической переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и трансмутации долгоживущих радионуклидов. Датчик натрия для измерения редокс-потенциала солевого расплава, в котором твердый электролит Na⁺--Al₂O₃ отделен от расплава соли измерительным электродом, выполненным из жидкого свинца, размещенного в молибденовом войлоке, причем толщина свинца не превышает 0,1 мм. 3 з.п. ф-лы, 1 илл.

Предложено конструктивное техническое решение- полезная модель. Решение относится к области атомной техники и может быть использовано преимущественно для жидкосолевых ядерных реакторов, пирохимической переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и трансмутации долгоживущих радионуклидов.

Использование жидких солей как топливных композиций и теплоносителей или сред для пирохимической переработки ОЯТ нуждается в точном контроле и тонком регулировании редокс-потенциала (окислительно-восстановительного потенциала) солевых расплавов с точностью ±(5-10) мВ, так как для избирательного электрохимического извлечения примесных элементов из расплавленной соли требуется небольшое напряжение (-10 мВ) вследствие перманентной диффузионной поляризации электродов гальванической цепи. Характеристикой качества расплава является редокс-потенциал или окислительно-восстановительный потенциал, который можно контролировать, измеряя, например, активность натрия в расплавленной соли, включающей в свой состав соль этого щелочного металла. Это аналогично измерению pH водного раствора.

Поляризация электродов гальванической цепи приводит к заметной деформации энергии разрешенных состояний электронов в солевом расплаве непосредственно около электродов так, что металлические компоненты базовой солевой композиции (например, натрий) могут экстрагироваться из соли вместе с примесной компонентой.

Поэтому мониторинг редокс-потенциала солей (измерение термодинамической активности натрия) необходимо осуществлять в электрохимической ячейке без тока, т.е. с помощью потенциометра (высокомного вольтметра).

Известен датчик натрия в металлических расплавах, использующий твердый электролит из Na⁺-''-Al₂O₃ (см., например, патент США 5120422 от 09 июня. 1992), который принят за прототип, как наиболее близкое техническое решение.

Этот твердый электролит обладает униполярной катионной проводимостью по натрию и обеспечивает однозначное соответствие генерируемой им ЭДС и термодинамической активности натрия в измерительном электроде, когда в качестве электрода сравнения используется жидкий натрий.

Твердый электролит Na⁺ -''-Al₂O₃ широко используется с 1970-х годов, когда стали разрабатывать термохимические преобразователи энергии и серно-натриевые батареи.

Известный датчик натрия в жидких металлах включает корпус из никель-хромистого сплава, изолятор, натриевый электрод сравнения в виде твердого электролита Na⁺-''-Al₂O₃, потенциальные выводы и запорные блоки.

Недостатком известного датчика является невозможность использовать его в расплавленных солях, ввиду коррозионного разрушения твердого электролита Na⁺ -''-Al₂O₃ в этой среде.

Технической задачей является исключение непосредственного контакта твердого электролита Na⁺-''-Al₂O₃ с расплавленной солью и одновременно обеспечение эффективного обмена атомами натрия между датчиком и солевым расплавом.

Поставленная техническая задача решается посредством отделения твердого электролита Na⁺-''-Al₂O₃ от расплавленной соли слоем молибденового войлока, коррозионно-стойкого в расплавленных солях, пропитанного жидким свинцом, толщиной по свинцу не более 0,1 мм и герметично соединенного с корпусом.

Целесообразно при этом в качестве материала измерительного электрода использовать также никелевый войлок.

Таким образом, поставленная техническая задача решена реализацией следующей совокупности существенных признаков.

Датчик натрия для измерения редокс-потенциала солевого расплава, выполненный в виде конструктивного объединения элементов (корпуса), включающего натриевый электрод сравнения, виде твердого электролита Na⁺-''-Al₂O₃,

причем

между твердым электролитом и расплавом соли размещен дополнительно измерительный электрод, герметично соединенным с корпусом,

при этом

- измерительный электрод выполнен из молибденового войлока, пропитанного свинцом, причем толщина измерительного электрода по свинцу не превышает 0,1 мм;

- измерительный электрод имеет в составе никелевый войлок;

- измерительный электрод выполнен из пористого графита.

Сущность решения поясняется чертежом (фиг.).

На Фиг. цифрами обозначены:

1 - измерительный электрод,

2 - твердый электролит,

3 - натриевый электрод сравнения,

4 - втулка,

5 - гермоввод,

6 - конструктивное объединение элементов (корпус),

7 - запорный блок,

8 - потенциальные выводы.

Описание предложенного решения

Измерительный электрод 1 выполнен в виде пористого молибдена, который в технике называют войлоком, пропитанного свинцом. Войлок имеет пористость не менее 50%. Толщина измерительного электрода по свинцу не более 0,1 мм. Измерительный электрод 1 герметично соединен с нижним торцом корпуса 6.

Твердый электролит 2 выполнен в виде цилиндрической пробки из Na-''-глинозема, контактирующей с измерительным электродом 1.

Натриевый электрод сравнения 3 размещен внутри втулки 4, дном которой является твердый электролит 2, а втулка 4 выполнена из изоляционного материала, например, из алюмомагнезиальной шпинели (Al₂O₃)_1-х(MgO) _x. Гермоввод 5 выполнен в виде металлической пробки для герметизации натриевого электрода сравнения 3. Корпус 6 выполнен из хромоникелевого сплава. Он соединен с втулкой 4, например, методом газостатического обжатия. Запорный блок 7 выполнен в виде цилиндра из изоляционного материала, например, из алюмомагнезиальной шпинели Al₂O₃)_1-х(MgO)_x . Потенциальные выводы 8 выполнены из молибдена и подключены к высокоомному вольтметру (на чертеже не показан) для измерения ЭДС датчика.

Предложенный датчик работает следующим образом.

Измерительный электрод 1 и натриевый электрод сравнения 3 располагаются по обе стороны твердого электролита 2, образуя электрохимическую ячейку:

Na, Мо||Na ⁺--Al₂O₃||Мо, Pb[Na]|соль [Na]}.

Принцип действия датчика на фиг. основывается на измерении ЭДС предложенной электрохимической ячейки высокоомным вольтметром. Измерительный электрод 1 (жидкий свинец в пористом слое молибдена толщиной ~0.1 мм), непосредственно контактирует с расплавом соли (на чертеже не показан), обменивается с ней атомами натрия, обеспечивая, тем самым, термодинамическое равновесие, и защищает твердый электролит 2 от коррозионного воздействия расплава соли. ЭДС Е датчика натрия определяется его термодинамической активностью натрия а_Na в жидком свинце, соответственно, в жидкой соли, поскольку они находятся в термодинамическом равновесии по натрию, что легко достигается вследствие высокой диффузионной подвижности его атомов в соли и жидком металле.

Так как датчик натрия работает практически при отсутствии тока, поляризацией измерительного электрода можно пренебречь и ЭДС датчика можно рассчитать по формуле: Е=(RT/F)lna_Na . Здесь R - универсальная газовая постоянная, Т - температура Кельвина, F - число Фарадея.

Для приемлемого времени установления термодинамического равновесия толщина слоя свинца должна быть достаточно тонкой. Определить приемлемую толщину можно из следующих соображений. Характерное время релаксации _н неравновесного состояния измерительного электрода (двукратного изменения концентрации натрия) определяется формулой _н~h²/D, где h - толщина измерительного электрода, D - коэффициент диффузии натрия в жидком свинце, который при 500°C приблизительно равен 10^-5 cм² /c. Отсюда для h=0.1 мм получаем _н~5 с. Таким образом, если скорость изменения редокс-потенциала не будет превышать 0.4 мВ/с, погрешность его измерения с помощью предлагаемого датчика натрия меньше 5 мВ. Практически допустимое время измерения будет больше на порядок, и поэтому выбранная толщина слоя свинца вполне удовлетворяет критериям практики.

Используя предложенную электрохимическую ячейку можно организовать непрерывный и точный (±5 мВ) контроль редокс-потенциала расплавленной соли.

Это позволит установить с заданной точностью разрешенные энергетические уровни электронов для солевых расплавов разного состава и оптимизировать выбор топливной композиции для расплавных реакторов.

1. Датчик натрия для измерения редокс-потенциала солевого расплава, выполненный в виде конструктивного объединения элементов (корпуса), включающего натриевый электрод сравнения в виде твердого электролита Na⁺--Al₂O₃, гермоввод и потенциальные выводы, отличающийся тем, что между твердым электролитом и расплавом соли размещен дополнительный измерительный электрод, выполненный из жидкого свинца, размещенного в молибденовом войлоке, и герметично соединенный с корпусом из сплава никель-хром.

2. Датчик натрия по п.1, отличающийся тем, что толщина измерительного электрода по свинцу не превышает 0,1 мм.

3. Датчик натрия по п.1, отличающийся тем, что измерительный электрод выполнен из никелевого войлока.

4. Датчик натрия по п.1, отличающийся тем, что измерительный электрод выполнен из пористого графита.