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研究生: 廖宥甯
Liao, Yu-Ning
論文名稱: 應用於超臨界水循環系統之耐高溫參考電極的研發
Development of High Temperature Reference Electrodes for Potentiometric study in SCW Environments
指導教授: 葉宗洸
Yeh, Tsung-Kuang
口試委員: 葉宗洸
王立華
歐陽汎怡
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 66
中文關鍵詞: 超臨界水腐蝕電位參考電極
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  • 為了進行超臨界狀態下金屬材料的電化學行為分析並獲取相關的電化學參數,除了建立一套適用於溫度374 °C以上與壓力22.1 MPa以上的模擬超臨界水循環系統外,穩定且耐用的參考電極是不可或缺的。本論文主要研究目的在於發展高溫專用的Ag/AgCl參考電極以及Zr/ZrO2所製成的參考電極,並將其應用於超臨界水環境中,進行304L不鏽鋼電化學腐蝕電位(ECP)之量測,觀察其ECP在純水中隨溫度變化之情形。
    測試結果發現在常溫下,氧化鋯管所製作成的Ag/AgCl參考電極經過72小時靜置時間後與商用Ag/AgCl參考電極同在飽和KCl溶液中的電位值差異皆小於10 mV以內,證明此高溫專用的Ag/AgCl參考電極在常溫環境下是可正常操作。並將氧化鋯管所製作成的Ag/AgCl參考電極應用於高溫288 °C、高壓7.8 MPa和溶氧濃度300 ppb之模擬沸水式反應器水環境下,與過去研究所製作的熱縮套管Ag/AgCl參考電極數據來互相比較,發現在相同條件下不同參考電極所測得的ECP值相近,並且氧化鋯管所製作成的Ag/AgCl參考電極量測出的ECP值可在短時間內達到平衡。後續也進行25 MPa及不同溫度下的304L試片ECP量測,可以發現ECP值在溫度由200℃、250℃升至300℃時,上升並不明顯,但在350℃時就會明顯上升。最後將Ag/AgCl參考電極以及Zr/ZrO2參考電極置於模擬超臨界水環境進行測試,分別在385℃和400℃之溫度進行量測,和350℃所測得之ECP相比,可以發現溫度及水進入超臨界狀態時因其物理性質改變所造成之阻抗上升為兩個影響ECP量測之重要因素。未來將利用此兩種參考電極進行不同的試片以及不同水化學環境的腐蝕電位測試。


    目錄 第一章 前言及研究動機 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 3 第二章 文獻回顧 9 2.1 高溫環境下應用之參考電極 9 2.1.1 Cu/Cu2O參考電極 13 2.1.2 白金電極 14 2.1.3 Ag/AgCl參考電極 14 2.1.4 Zr/ZrO2 參考電極 16 2.2 理論基礎 17 2.2.1 混合電位模式 (Mixed Potential Model, MPM) 17 2.2.2 影響ECP大小的重要參數 21 2.2.3 伊凡斯圖的影響 21 2.2.4 IR阻抗之影響 22 第三章 研究方法 37 3.1 高溫高壓水循環系統 37 3.1.1 模擬SCWR水循環系統 37 3.1.2 模擬BWR水循環系統 40 3.2 試片製備 40 3.3 參考電極製備 40 3.3.1 Ag/AgCl參考電極製備 40 3.3.2 Zr/ZrO2參考電極製備 42 3.4 拉曼光譜散射分析 42 3.5 測試條件 43 3.6 高溫腐蝕電位量測實驗 45 第四章 實驗結果 53 4.1 Ag/AgCl(氧化鋯外管)參考電極常溫測試 53 4.2 Ag/AgCl(氧化鋯外管)參考電極在高溫288℃水環境下測試 53 4.3 Ag/AgCl(氧化鋯外管)參考電極在固定溶氧及壓力的情況下,對溫度改變進行測試 54 4.4 Ag/AgCl(氧化鋯外管)和Zr/ZrO2參考電極在高溫超臨界水環境下測試 55 4.5 Zr/ZrO2電極表面之拉曼散射光譜分析 56 第五章 結論 63 第六章 未來工作 65 參考文獻 66   表目錄 表 2 1 計算導電度和阻抗時所使用之物理參數 35 表 3 1 實驗條件 46 圖目錄 圖 1 1 二氧化碳濃度與溫室效應之關係 5 圖 1 2 各種發電方式所產生每度電的CO2排放量 5 圖 1 3 台灣電力公司發電成本 6 圖 1 4 SCWR構造示意圖 6 圖 1 5 SCWR、PWR、BWR之壓力溫度操作範圍 7 圖 1 6 在25 MPa下,水的四種特性隨溫度改變的值 7 圖 1 7 a.SCWR爐心內部組件 b.火力電廠加熱管與核能電廠爐心內燃料棒護套及水棒隔壁 8 圖 2 1 在不同的溶氧濃度下,鋯電極腐蝕電位的量測 25 圖 2 2 在不同的過氧化氫濃度下,鋯電極腐蝕電位的量測 25 圖 2 3 316SS和Inconel 600在模擬NWC環境下+ 20 ppb Cu2+的腐蝕電位 26 圖 2 4 Inconel 600 在模擬NWC + 100 ppb SO42-環境下的腐蝕電位再現性測試 26 圖 2 5 Inconel 600在模擬HWC + 100 ppb SO42-環境下使用不同參考電極測量的腐蝕電位 27 圖 2 6 316NG SS和Inconel 600在模擬NWC + 100 ppb SO42-環境下的腐蝕電位量測 27 圖 2 7 在270℃下,E(Pt)和H2濃度的關係 28 圖 2 8 在270℃下,E(Ag/AgCl)和Cl-的濃度的關係 28 圖 2 9 GE Cu/Cu2O參考電極結構示意圖 29 圖 2 10 GE Ag/AgCl參考電極示意圖 30 圖 2 11 NWT Ag/AgCl參考電極示意圖 31 圖 2 12 Toshiba Ag/AgCl參考電極 32 圖 2 13 Flow-Through External Pressure-Balanced 參考電極 33 圖 2 14 鋯參考電極 34 圖 2 15 在長時間下量測改變溶氧濃度時鋯電極的電位變化 34 圖 2 16 316 SS試片腐蝕電位量測 35 圖 2 17 陽極反應之交換電流密度上升大於陰極反應交換電流密度上升時對ECP之影響 36 圖 2 18 陽極反應之交換電流密度上升小於陰極反應交換電流密度上升時對ECP之影響 36 圖 3 1 實驗流程圖 47 圖 3 2 高溫高壓水循環系統示意圖 48 圖 3 3 HPLC高壓幫浦 48 圖 3 4 套管之冷卻裝置 49 圖 3 5 低溶氧監測儀及導電度儀 49 圖 3 6 高壓釜結構示意圖(A)模擬BWR水循環系統(B)模擬SCWR水循環系統 50 圖 3 7 參考電極細部(A)分解(B)組合 51 圖 3 8 在鋯電極上生成的氧化膜和m-ZrO2結構比較之拉曼光譜 52 圖 4 1 Ag/AgCl(氧化鋯外管)參考電極與商用Ag/AgCl電極在常溫下(25 ℃)電位差 57 圖 4 2 Ag/AgCl(氧化鋯外管)參考電極與Ag/AgCl(熱縮套管外管)參考電極在288℃、7.8 MPa和[O2]dis =300 ppb測量已預長氧化膜304不鏽鋼試片的電化學腐蝕電位(ECP) 57 圖 4 3 304L不鏽鋼試片在200℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位量測 58 圖 4 4 304L不鏽鋼試片在250℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位量測 58 圖 4 5 304L不鏽鋼試片在300℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位量測 59 圖 4 6 304L不鏽鋼試片在350℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位量測 59 圖 4 7 304L不鏽鋼試片在200℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位再現性測試 60 圖 4 8 304L不鏽鋼試片在250℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位再現性測試 60 圖 4 9 304L不鏽鋼試片在300℃、25MPa和8.3 ppm DO下之腐蝕電位再現性測試 61 圖 4 10 Ag/AgCl參考電極和Zr/ZrO2參考電極同時對304L不鏽鋼試片在385℃、25 MPa和8.3 ppm DO之模擬超臨界水環境進行腐蝕電位之量測 61 圖 4 11 Ag/AgCl參考電極和Zr/ZrO2參考電極同時對304L不鏽鋼試片在400℃、25 MPa和8.3 ppm DO之模擬超臨界水環境進行腐蝕電位之量測 62 圖 4 12 經熱處後鋯電極外層氧化膜之拉曼分析 62

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