CN105842323B - 一种在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，包括样品室、参比室，电极、阀门、工作气体罐、真空泵各部分。本发明利用氚在样品室壁面的扩散渗透，使液态铅锂合金与样品室内的氚达到平衡，进而通过测量样品室内的氚含量得到液态铅锂合金中的氚含量。本发明通过设置参比室降低液态铅锂合金中子活化产物的放射性对氚含量检测的影响。本发明的优点在于：(1)可实现液态铅锂合金中氚含量的在线检测；(2)避免利用载气从液态铅锂合金中载带提取氚，检测工艺相对简单；(3)在样品室内直接测量，减少氚损失和沾污；(4)可同步检测液态铅锂合金中的γ辐射场。本发明适用于聚变堆液态铅锂包层回路中氚含量的在线检测。

Description

一种在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器

技术领域

本发明涉及一种测氚传感器，适用于聚变堆液态铅锂包层回路中氚含量的在线检测，属于核工程领域。

背景技术

聚变堆液态铅锂包层中氚含量的快速在线测量，可为包层氚的提取、包层氚增殖比计算、聚变反应的燃耗测量等提供监测手段。传统的液态铅锂合金中氚含量检测，一般需要先将氚从液态铅锂合金中提取释放出来，然后再直接测量氚。但锂-6与中子作用产生的氚与铅锂合金结合较紧密，释放困难，需要特殊的氚提取技术。这种从液态铅锂合金中提取氚的技术，是聚变堆氚回收工艺的研究难点。

一些特殊的氚测量手段，如间接测量锂-6辐照产氚伴生的氦气或者测量过程中锂同位素丰度的变化等，虽然可以获得准确度较好的分析结果，但成本较高，取样方面的限制也使得方法不适于在线检测。

为了解决液态铅锂合金中氚含量在线检测的问题，中国工程物理研究院谢波开展了测氢传感器的探头材料选型研究。其设计的氢传感器工作原理是，利用泵将载气氦导入液态铅锂合金中，氦气泡在液态铅锂合金中扩散形成独立的气泡，在此情况下，液态铅锂合金中的氢迅速扩散到载气气泡中，再利用测氢探头中的多孔材料收集这些载有溶解氢的氦气泡，载气氦在测氢系统内循环，直到进入氦气泡中的氢达到溶解平衡，测量探头中的气压得到液态铅锂合金中氢分压，并依据Siverts定律得到液态铅锂合金中氢含量。该方法的缺点是需要先将氚从液态铅锂合金中提取释放出来，然后再测量氚。由于锂-6与中子作用产生的氚与铅锂合金结合较紧密，释放困难，这种方法的灵敏度和精度较差。

官锐在产氚回路中氚的在线检测研究中，设计了一套流气式正比计数系统，建立了用流气式正比计数管对产氚回路中的氚进行在线分析的方法，但其研究未涉及将氚从液态铅锂合金中提取的方法和设备。

印度Amit Sircar等人提出设计和研制了一种液态铅锂合金中氢同位素传感器，传感器探头材料为纯铁，利用氚在探头材料中的强渗透性能，使探头内部氚渗透达到平衡，再利用真空泵将探头内的氚抽出并进行计数测量，进而得到液态铅锂合金中的氚含量。西班牙L.Llivina等人设计了类似的氢同位素传感器，传感器主体材料为316SS，渗透膜材料为αFe和钯，其研究表明几个小时后可达到氚渗透平衡。Amit Sircar、L.Llivina等人的设计仍存在部分问题，包括氚的抽真空和计数测量系统中氚沾污和渗透损失对氚含量检测结果存在较大影响，传感器内氚渗透达到平衡所需时间较长，探头内部沾污的氚难于去污造成高的测量本底等。

发明内容

为了更好的在线检测液态铅锂合金中氚含量，本发明在前人研究基础上进行了重要改进，通过选择新的氚渗透膜材料提高氚渗透速率，减少氚渗透平衡所需时间。同时在传感器探头内部直接引入电极并通入工作气体，在氚渗透达到平衡后，对氚β衰变电离工作气体生成的离子进行迅速收集和解谱，避免了测量过程的氚损失，还可以利用工作气体对沾污后的探头内部进行载带去污。

本发明采用的技术方案为：一种在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，包括样品室、参比室，第一电极、第二电极、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、工作气体罐和真空泵；样品室为上端有细长管的薄壁空心圆柱体或薄壁空心球体，样品室底面为氚渗透膜；参比室尺寸形状与样品室相同，参比室内壁有防氚渗透涂层；样品室、参比室通过第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门与工作气体罐、真空泵连接，样品室通过第一阀门、第三阀门与工作气体罐连接，样品室通过第一阀门、第四阀门与真空泵连接，参比室通过第二阀门、第三阀门与工作气体罐连接，参比室通过第二阀门、第四阀门与真空泵连接；样品室内部插入第一电极，参比室内部插入第二电极。

其中，测量时传感器的样品室、参比室直接插入液态铅锂合金，液态铅锂合金中的氚穿过样品室底面的氚渗透膜和样品室壁面进入样品室，达到平衡后利用样品室内置的第一电极快速检测样品室内的氚含量并计算得到液态铅锂合金中的氚含量。

其中，在一次氚含量在线检测结束后，通过对样品室和参比室进行抽真空和充入工作气体，对样品室和参比室内部的沾污氚进行载带去污，降低下一次检测的本底。

其中，通过设置参比室，扣除液态铅锂合金中子活化产物的放射性对氚含量检测的影响。

其中，样品室结构材料为CLAM钢或其他低活化钢，样品室底面的氚渗透膜为V-Ni-Ti合金或Nb-Ni-Ti合金，样品室上端细长管外壁有Al₂O₃防氚渗透涂层。

其中，参比室结构材料为CLAM钢或其他低活化钢，参比室内壁有Al₂O₃防氚渗透涂层。

其中，工作气体罐中的工作气体为He或CH₄、Ar气体。

本发明的原理在于：

一种在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，包括：样品室、参比室，电极、阀门、工作气体罐、真空泵各部分；样品室为上端有细长管的薄壁空心圆柱体或薄壁空心球体，样品室底面为氚渗透膜；参比室尺寸形状与样品室相同，参比室内壁有防氚渗透涂层；样品室、参比室通过阀门与工作气体罐、真空泵连接；样品室和参比室内部均插入测氚电极。本发明的传感器，测量时传感器的样品室、参比室直接插入液态铅锂合金，液态铅锂合金中的氚穿过样品室底面的氚渗透膜和样品室壁面进入样品室，达到平衡后利用样品室内置的电极快速检测样品室内的氚含量，扣除参比室内置的电极快速检测的环境本底后，计算得到液态铅锂合金中的氚含量。本发明的传感器，电极位于样品室和参比室内部，避免了从样品室抽出氚过程中的沾污和渗透损失。本发明通过设置参比室，扣除液态铅锂合金中子活化产物的放射性对氚含量检测的影响。本发明的传感器，在一次氚含量在线检测结束后，通过对样品室和参比室进行抽真空和充入工作气体，对样品室和参比室内部的沾污氚进行载带去污，降低下一次检测的本底。本发明的传感器，样品室和参比室下端为薄壁空心圆柱体或薄壁空心球体，可提高去污过程工作气体在样品室和参比室内的扰动效果。本发明工作气体罐中的工作气体首选为He气，也可为CH₄、Ar等气体。首选He气具有好的氚载带和去污效果。传感器样品室的结构材料为CLAM钢或其他低活化钢，样品室底面的氚渗透膜为V-Ni-Ti合金或Nb-Ni-Ti合金，样品室上端细长管外壁有Al₂O₃防氚渗透涂层。传感器参比室的结构材料为CLAM钢或其他低活化钢，内壁有Al₂O₃防氚渗透涂层，参比室的结构材料选择与样品室保持一致。样品室壁面厚度应在满足结构强度要求下尽可能薄，从而增加氚的渗透速率。参比室尺寸形状应与样品室严格一致，测量时样品室、参比室同时插入液态铅锂合金中，液态铅锂合金中的氚通过氚渗透膜和壁面渗透进入样品室，参比室防氚渗透涂层可阻止氚渗透进入参比室。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)可以更快速实现液态铅锂合金中氚含量的在线检测；

(2)避免利用载气从液态铅锂合金中载带提取氚，检测工艺相对简单；

(3)在样品室内直接测量氚，减少氚损失和沾污；

(4)测氚过程中可同步检测液态铅锂合金中的γ辐射场强度。

附图说明

图1为本发明的液态铅锂合金中氚含量在线检测的传感器。

图中附图标记含义为：1为样品室，2为参比室，3为氚渗透膜，4为防氚渗透涂层，5为第一电极，6为第二电极，7为第一阀门，8为第二阀门，9为第三阀门，10为第四阀门，11为工作气体罐，12为真空泵。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的测氚传感器包括：样品室1、参比室2、第一电极5、第二电极6、第一阀门7、第二阀门8、第三阀门9、第四阀门10、工作气体罐11和真空泵12；样品室1为上端有细长管的薄壁空心圆柱体，样品室底面为氚渗透膜3；参比室大小形状与样品室相同，参比室内壁有防氚渗透涂层4；样品室1与第一阀门7连接，参比室2与第二阀门8连接，工作气体罐11与第三阀门9连接，真空泵12与第四阀门10连接；第一阀门7、第二阀门8、第三阀门9、第四阀门10相互连接；第一电极5插入样品室1，第二电极6插入参比室2。

实施例1：

按照上述说明设计研制了测氚传感器，传感器样品室1的结构材料为CLAM钢，底面的氚渗透膜为Nb-Ni-Ti合金，样品室1上端细长管外壁有Al₂O₃防氚渗透涂层；参比室2的结构材料为CLAM钢，内壁有Al₂O₃防氚渗透涂层；工作气体罐11中的工作气体为He气。研制好的传感器探头首先浸入液态铅中再取出，使表面覆盖一层铅金属保护膜，避免运输、存储过程中材料表面被氧化。传感器测量过程如下：

(1)对传感器进行刻度，得到样品室1内氚含量与测量计数的关系曲线；

(2)将传感器样品室1、参比室2插入待测液态铅锂合金中；

(3)利用真空泵12和第四阀门10、第一阀门7对样品室1进行抽真空，抽真空完毕后关闭第四阀门10、第一阀门7，利用真空泵12和第四阀门10、第二阀门8对参比室2进行抽真空，抽真空完毕后关闭第四阀门10、第二阀门8；

(4)利用工作气体罐11和第三阀门9、第一阀门7、第二阀门8向样品室1、参比室2中充入He气，充He完毕后关闭第三阀门9、第一阀门7、第二阀门8；

(5)液态铅锂合金中氚通过氚渗透膜和样品室1壁面扩散进入样品室1并达到平衡；

(6)启动第二电极6，测量参比室2内计数记为本底；

(7)启动第一电极5，测量样品室1内计数；

(8)用第一电极5测得的计数扣除本底后得到样品室1内平衡氚的计数，从传感器刻度曲线查得样品室1内的氚含量；

(9)依据样品室1内的平衡氚含量和Sieverts公式，计算得到液态铅锂合金中的氚含量。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：包括样品室(1)、参比室(2)，第一测氚电极(5)、第二测氚电极(6)、第一阀门(7)、第二阀门(8)、第三阀门(9)、第四阀门(10)、工作气体罐(11)和真空泵(12)；样品室(1)为上端有细长管的薄壁空心圆柱体或薄壁空心球体，样品室(1)底面为氚渗透膜(3)；参比室(2)尺寸形状与样品室(1)相同，参比室(2)内壁有防氚渗透涂层(4)；样品室(1)通过第一阀门(7)、第三阀门(9)与工作气体罐(11)连接，样品室(1)通过第一阀门(7)、第四阀门(10)与真空泵(12)连接，参比室(2)通过第二阀门(8)、第三阀门(9)与工作气体罐(11)连接，参比室(2)通过第二阀门(8)、第四阀门(10)与真空泵(12)连接；样品室(1)内部插入第一测氚电极(5)，参比室(2)内部插入第二测氚电极(6)。

2.如权利要求1所述的在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：测量时传感器的样品室(1)、参比室(2)直接插入液态铅锂合金，液态铅锂合金中的氚穿过样品室(1)底面的氚渗透膜和样品室(1)壁面进入样品室(1)，达到平衡后利用样品室(1)内置的第一测氚电极(5)快速检测样品室内的氚含量并计算得到液态铅锂合金中的氚含量。

3.如权利要求1或2所述的在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：在一次氚含量在线检测结束后，通过对样品室(1)和参比室(2)进行抽真空和充入工作气体，对样品室(1)和参比室(2)内部的沾污氚进行载带去污，降低下一次检测的本底。

4.如权利要求1或2所述的在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：通过设置参比室(2)，扣除液态铅锂合金中子活化产物的放射性对氚含量检测的影响。

5.如权利要求1或2所述的在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：样品室(1)结构材料为CLAM钢或其他低活化钢，样品室(1)底面的氚渗透膜为V-Ni-Ti合金或Nb-Ni-Ti合金，样品室(1)上端细长管外壁有Al₂O₃防氚渗透涂层。

6.如权利要求1或2所述的在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：参比室(2)结构材料为CLAM钢或其他低活化钢，参比室(2)内壁有Al₂O₃防氚渗透涂层。

7.如权利要求1所述的在线检测液态铅锂合金中氚含量的传感器，其特征在于：工作气体罐(11)中的工作气体为He或CH₄、Ar气体。