Charakterizace kyslíkových senzorů pro řízení kyslíku v okruhu s taveninou olova

Abstract

V rychlých reaktorech chlazených těžkými tekutými kovy je koncentrace kyslíku v chladivu klíčový parametr pro jadernou bezpečnost i pro řízení životnosti komponent. Kyslíkový senzor je důležitou součástí korozních zkoušek v tekutém olovu, neboť právě na množství kyslíku určuje korozní mód a kvalitu získaných dat. Kyslíkový senzor je založený na tuhém elektrolytu ZrO2 stabilizovaného Y2O3 (YSZ), který selektivně vede kyslíkové ionty. Dva senzory, jeden použitý 5 měsíců starý a druhý nový, byly charakterizovány pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS) při teplotách 400, 450, 500, 520 a 550 °C a koncentracích kyslíku 1E-6, 1E-7 a 1E-8 hm. % O v tavenině olova. Řádná funkce senzoru byla ověřována porovnáním s teoretickou hodnotou napětí při nasycené tavenině kyslíkem, kdy je signál senzoru daný rozpustností kyslíku při zvolené teplotě. Z impedančních spekter byly získány odpory zrn a hranic zrn keramické membrány elektrolytu YSZ. Z jejich závislosti na teplotě byla získána aktivační energie nosičů náboje. Potenciálně nespolehlivý senzor vykazuje nárůst impedance o jeden řád, hranice zrn přestává být zřetelná v impedančním spektru a jeho aktivační se změní pro zrna o 0,3 eV. Pro hranice zrn už není jasné, co přesně je měřené, neboť hodnoty při snižujícím se kyslíku lineárně klesají. Při měření experimentu se ukázalo, že každý senzor má svůj vlastní „otisk“ a je tedy třeba ho změřit před použitím a pak sledovat. Dalším zjištěním bylo, že odpověď zaneseného senzoru se zpomaluje se zvyšující se teplotou. Pozorováním senzoru v čase se ukázalo, že ačkoliv je senzor zanesen, ukazuje hodnoty, která by se nám mohly jevit smysluplné, otázkou však stále zůstává, jak moc se liší skutečné množství kyslíku v tavenině oproti tomu, co nám ukazuje senzor. Příčina zanesení senzoru není zcela zřejmá, a další práci je třeba zaměřit na možnost adsorpce elektoaktivních látek, patrně korozních produktů, které blokují přenos náboje, popř. na stabilitu YSZ membrány.

The concentration of oxygen in the coolant is a key parameter for nuclear safety as well as for managing component life in fast reactors cooled by heavy liquid metals. The oxygen sensor is an important part of corrosion tests in liquid lead because it is the amount of oxygen that determines the corrosion mode and the quality of the data obtained. The oxygen sensor is based on a solid ZrO2 electrolyte stabilized by Y2O3 (YSZ), which selectively conducts oxygen ions. Two sensors, one used 5 months old and the second new, were characterized using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) at temperatures of 400, 450, 500, 520 and 550 °C and oxygen concentrations of 1E-6, 1E-7 and 1E-8 wt. % O in lead melt. The correct function of the sensor was verified by comparison with the theoretical value of the voltage at a melt saturated with oxygen, when the sensor signal is given by the solubility of oxygen at the selected temperature. The resistances of the grains and grain boundaries of the ceramic membrane of the YSZ electrolyte were obtained from the impedance spectra. The activation energy of the charge carriers was obtained from their dependence on temperature. A potentially unreliable sensor shows an increase in impedance by one order of magnitude, the grain boundary ceases to be distinct in the impedance spectrum, and its activation changes for grains by 0.3 eV. It is no clear for grain boundaries what exactly is being measured, as the values decrease linearly at decreasing oxygen. When measuring the experiment, it turned out that each sensor has its own "fingerprint" and therefore needs to be measured before use and then monitored. Another finding was that the response of the fouled sensor slows down as the temperature increases. Observing the sensor over time showed that although the sensor is clogged, it shows values that might seem meaningful to us, but the question remains how much the actual amount of oxygen in the melt differs from what the sensor is showing us. The cause of sensor fouling is not entirely clear, and further work needs to be focused on the possibility of adsorption of electroactive substances, probably corrosion products that block charge transfer, or on the stability of the YSZ membrane.