Wissenschaftliche Berichte

Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6690

Measurement of oxygen activities in eutectic lead-bismuth by means of the EMF method

Muscher,H.; Konys, J.; Voss, Z.; Wedemeyer, O.

Abstract
Liquid lead and the eutectic lead-bismuth alloy (PbBi) are considered both as a spallation tar-get and coolant of an accelerator driven system (ADS) for the transmutation of long-lived actinides from nuclear waste into shorter living isotopes. It is known that both, pure lead and PbBi, exhibit a high corrosion affinity against austenitic and ferritic steels, because of the high solubility of nickel and iron in PbBi.
Thermodynamic calculations and experimental results have confirmed, that the control of oxygen in lead or PbBi within a defined activity range can lead to acceptable corrosion rates. To control the level of oxygen dissolved in lead or PbBi, a sensor for measuring the oxygen activity is required. Within the Sodium Fast Breeder Reactor Development, an adequate technique was established for estimating oxygen in liquid sodium. This knowledge can be used for other metal/oxygen systems like oxygen in PbBi. For measuring the oxygen activity and calculating its concentration, the relevant thermodynamic and solubility data have to be considered. Reference electrode systems: Pt/air, In/In₂O₃ and Bi/Bi₂O₃ (all based on yttria stabi-lized zirconia as solid electrolyte) are investigated to evaluate their EMF-temperature depend-ency in saturated and unsaturated oxygen solutions. Results with all types of oxygen meters in PbBi at different oxygen levels were compared with theoretical calculations. The experimen-tal data indicate that the design, construction and integration of an oxygen control unit in a large scale PbBi-loop seems to be very feasible.
A HGF Strategy Fund Project entitled "Thermalhydraulic and material specific investigations regarding the realization of an Accelerator-Driven System (ADS) to transmute minor actinides" is performed at Forschungszentrum Karlsruhe. The objective of this project is to de-velop new technologies and manufacture thermally highly-loaded surfaces, which are cooled by a corrosive lead-bismuth eutectic. The corrosion challenge for possibly structure, window and cladding materials (as vital components of an ADS spallation target for flowing lead-bismuth) must be solved. The beam window can be cooled by liquid Pb or PbBi in natural or forced circulation flow. Corrosion caused by liquid PbBi is generally, as for other liquid metal systems related to the solubility of oxygen.
The EMF method is used to measure the oxygen potential in lead-bismuth loops in order to control and prevent the corrosion of the materials used. The experimental investigations are performed in the KArlsruhe Lead LAboratory KALLA.

Messung von Sauerstoffaktivitäten in der eutektischen Blei-Wismut Schmelze mit Hilfe der EMF-Methode

Zusammenfassung
Sowohl flüssiges Blei als auch das Blei-Wismut-Eutektikum werden als Spallationstarget bzw. Kühlmittel für zukünftige ADS-Systeme erachtet, die der Umwandlung langlebiger mi-norer Aktiniden in kurzlebigere Isotope dienen sollen. Es ist bekannt, dass beide, reines Blei und eutektisches PbBi, eine hohe Korrosivität bezüglich austenitischer und ferritischer Stähle aufweisen, dies aufgrund der hohen Löslichkeit des Nickels und des Eisens in PbBi. Eine Möglichkeit der Herabsetzung der starken Korrosion ist die in-situ Bildung stabiler Oxidschichten an der Oberfläche des Strukturwerkstoffes. Thermodynamische Berechnungen und experimentelle Ergebnisse haben bestätigt, dass die Sauerstoff-Regelung in Blei und/oder PbBi innerhalb eines definierten Aktivitätsbereichs des Sauerstoffs zu akzeptablen Korro-sionsraten führen kann.
Um das Niveau des im Pb oder auch im PbBi gelösten Sauerstoffs zu regeln, ist ein Sauerstoff-Sensor zur Messung der Sauerstoff-Aktivität unentbehrlich. Eine entsprechende Mess-technik zur Bestimmung der Sauerstofflöslichkeiten im flüssigen Natrium ist im Rahmen der Entwicklung des Projektes "Schneller Brüter" ausgearbeitet worden. Dieses Know-how kann nun für andere Metall/Sauerstoffsysteme wie z.B. Sauerstoff in PbBi zur Anwendung kom-men. Für die Messung der Sauerstoffaktivität und für die Berechnung der Sauerstoffkonzent-rationen sind die notwendigen thermochemischen Daten sowie die entsprechenden Löslichkeitswerte in Betracht zu ziehen. Referenz- (Bezugs-) Elektrodensysteme: Platin/Luft, In/In₂O₃ sowie Bi/Bi₂O₃ (alle auf der Grundlage von yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid als Festelektrolyt) wurden untersucht, um ihre EMK- vs. Temperaturabhängigkeit in sowohl sauerstoffgesättigten als auch -untersättigten Lösungen zu bestimmen. Die Ergebnisse mit allen Typen von Sauerstoffsonden in PbBi bei unterschiedlichen Sauerstoffpegeln sind mit den Berechnungen verglichen worden, die der Theorie entnommen sind. Die experimentell ermittelten Daten zeigen, dass der Entwurf, die Konstruktion und die Einbindung einer Sauerstoffregelungseinheit in einen PbBi-Kreislauf tatsächlich realisierbar ist.

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