Oxygen control in lead-bismuth eutectic: First validation of electrochemical oxygen sensors in static conditions

J.-L. Courouau (1, 2) , P. Deloffre (2, 3) , R. Adriano (1, 2)

1 LECNA - Laboratoire d'Etude de la Corrosion Non Aqueuse
2 CEA-DES (ex-DEN) - CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire)
3 SCCME - Service de la Corrosion et du Comportement des Matériaux dans leur Environnement

The control of the impurities, and of oxygen in particular, is of major interest for ensuring adequate and safe operation of lead alloys facilities from the viewpoint of the corrosion phenomenon : spallation target or coolant for hybride or fast reactors, currently under studies within the transmutation topic of the 1991 law on nuclear waste disposal. In addition, because of the very low oxygen solubility in the lead alloys, it is compulsory to avoid saturation in any parts of a defined system and in any operating conditions so as to avoid any plugging by lead oxides built-up (fuel assembly feet, …). For the oxygen control, the on-line monitoring of the dissolved oxygen content is required. Electrochemical sensors built with yttria stabilised zirconia have been developed and tested in various static facilities : BIP, JACOMEX glove box, COLIMESTA. The experimental results have been compared to the theoretical formulation, and a calibration method applied (search for the singular point defining the saturation temperature). The operating range is as follows : 280°C-550°C, 10$^{-10}$ - 10 ppm (1ppm=10$^{-4}$weight%), for a 40% estimated accuracy. Service life is more than 1000 hours up to now. Reproducibility, time drift, time to response, and mechanical resistance are satisfactory. Based upon these results a first validation of these oxygen sensors is obtained in static conditions.

Contrôle de l’oxygène dans l’eutectique Plomb-bismuth : validation préliminaire en statique d’une sonde de mesure électrochimique – Le contrôle des impuretés, et notamment de l’oxygène, pour contrôler ou limiter la corrosion des structures est d’un intérêt majeur pour assurer une exploitation normale et sûre des systèmes utilisant l’eutectique de plomb-bismuth (45%-55%) : cible de spallation ou caloporteur pour les réacteurs hybrides ou rapides, actuellement étudiés suivant l’axe 1 de la loi de 91 concernant la transmutation. De plus, en raison de la très faible solubilité de l’oxygène dans cet alliage, il est nécessaire de maintenir la concentration en oxygène sous la saturation en tout point du système et suivant toutes les situations de fonctionnement afin d’éviter tout risque de formation et d’accumulation d’oxydes de plomb, pouvant entraîner un bouchage partiel ou total des pieds d’assemblages, ou autres conduites. A cette fin, la mesure de l’oxygène en continu et à des teneurs très faibles est requise. Des sondes de mesures électrochimiques à base de zircone yttriée ont été développées et testées sur différentes installations d’essais statiques : BIP, JACOMEX, et COLIMESTA. Les résultats expérimentaux ont été comparés à la formulation théorique, et un étalonnage a été obtenu par la recherche de points singuliers comme le passage à la saturation qui fixe précisément la température de saturation, et donc la concentration en oxygène dissous. La gamme de fonctionnement obtenue est : 280°C550°C, 10$^{-10}$ à 10 ppm, pour une précision estimée à 40% et une durée de vie supérieure à 1000 heures à ce jour. Les caractéristiques de reproductibilité, de déviation avec le temps, de temps de réponses et de résistance mécanique sont satisfaisantes. Ces essais en statiques permettent ainsi de conclure à une première validation de ces sondes.

Domaines: Matériaux; Génie chimique

J.-L. Courouau, P. Deloffre, R. Adriano. Oxygen control in lead-bismuth eutectic: First validation of electrochemical oxygen sensors in static conditions. Journal de Physique IV Proceedings, 2002, 12 (8), pp.141 - 153. ⟨10.1051/jp4:20020329⟩. ⟨cea-02872357⟩