CN106128538B - 一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置 - Google Patents

一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，包括以下步骤：通过主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成的稀土过滤装置过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po；稀土过滤膜和物理过滤膜相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式。本发明还公开了一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的装置。实施本发明的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置，能够使冷却剂中210Po的浓度低于NRC标准限值以下，解决铅基快堆或ADS次临界系统中关键技术难点，保护人员免遭210Po放射性危害。

Description

一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和 装置
技术领域
本发明涉及核能领域，尤其涉及一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置。
背景技术
钋在1898年由法国居里夫人及丈夫皮埃尔·居里在处理铀矿时发现的一种新化学元素。其英文名称是Polonium(符号为Po)，原子序数为84，共有25个同位素，质量数由192至218，且都具有放射性，210Po是其中的一个核素。钋是一种银白色的金属，能在黑暗中发光，其密度9.4g/cm3，熔、沸点分别为254℃、962℃。钋能够溶于浓硫酸、硝酸、稀盐酸、王水和稀氢氧化钾溶液。
210Po属于极毒的放射性核素，其物理半衰期为138.4天，它衰变是释放一个α粒子，其能量高达5.3MeV，衰变热为140W/g，衰变产物为稳定的206Po。其衰变的α粒子在空气中的射程很短，不能穿透纸或皮肤，因此它不会在人的体外构成外照射危险。但是它的电离能力很强，假如通过吸入、误食或经过皮肤接触摄入体内，就会导致体内污染、中毒或急性放射病。在短时间内如果人体内的针吸收剂量达到4Gy时即可造成致命危害。
在铅铋或铅冷却剂中，主要是以下三种途径产生放射性210Po：
在一个209Bi原子核上
在一个208Pb原子核上，如果铋含量至少达10-2％(质量)，应考虑钋反应性的贡献
因此，对于209Bi反应，考虑Pb-Bi中合金中钋的反应性，如果未设置除钋 系统，钋反应性可达到10居里/公斤。
IPPE的实验数据表明，在液态铅铋中，钋产生后会很快与铅反应，生成化学性质稳定的化合物钋化铅(PbPo)。实验数据表明，99.8％的钋以PbPo的形态存在，仅有不到0.2％的钋以单质的形态(Po)存在于液态LBE中。由于钋具有很强的挥发性，因此，在高温条件下，钋会从液态铅铋冷却剂中挥发进入上方的覆盖气体(Ar)中，从而使得覆盖气体中积累一定量的放射性钋。由于覆盖气体具有一定的泄露率，在正常工况下，每天都会有一定量的氩气从堆内释放到堆外，进而使得一定量放射性210Po的进入堆顶屏蔽室和厂房内，最终会被排放进入大气。
由于放射性210Po具有剧毒性和强挥发性，铅基快堆和ADS次临界装置放射性钋防护问题是最为棘手的难题，目前国际上开展了一些机理研究，针对工业规模的210Po浓度处理和去除还未有人公开发表专利和论文，目前还没有一种方法是可以非常理想的解决钋的净化问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置，能够使冷却剂中210Po的浓度低于NRC标准限值以下，解决铅基快堆或ADS次临界系统中关键技术难点，保护人员免遭210Po放射性危害；同时能够过滤流体中的其它杂质，安全稳定，应用范围广泛，高效环保。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，包括以下步骤：通过主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成的稀土过滤装置过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中210Po的浓度分别低于国际放射性防治标准值；稀土过滤膜和物理过滤膜相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式或是所述稀土过滤膜和所述物理过滤膜通过粘合剂连接，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。
其中，物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。
其中，稀土过滤膜的成分包括：纯稀土、氧化物稀土以及氢氧化物稀土中 的至少一种组分。
其中，稀土过滤膜中稀土组分的形状为粉末状、棒状、板状以及颗粒状中的至少一种形状。
其中，冷却剂中210Po的主要成分为PbPo和/或Po，气体中210Po的主要成分为H2Po或Po(OH)2；稀土过滤膜中的稀土元素与210Po形成的化合物的熔点分别大于1000℃。
为解决上述技术问题，本发明还公开了另一种技术方案，一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的装置，包括稀土过滤装置，稀土过滤装置主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成，冷却剂或气体经过稀土过滤膜，气体中的210Po气溶胶或冷却剂中的210Po与稀土过滤膜中的稀土组分反应形成稳定的化合物，后经物理过滤膜的过滤去除气体中剩余的210Po气溶胶或冷却剂中剩余的210Po及其它杂质；稀土过滤膜和物理过滤膜相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。
其中，稀土过滤膜的成分包括：纯稀土、氧化物稀土以及氢氧化物稀土中的至少一种组分；稀土过滤膜中稀土组分的形状为粉末状、棒状、板状以及颗粒状中的至少一种形状。
其中，稀土过滤装置还包括：稀土过滤装置本体和设置在稀土过滤装置本体内部的顶格栅板和底格栅板，主要由稀土过滤膜和物理过滤膜组成的多组稀土过滤装置固定装设在顶格栅板和底格栅板之间；底格栅板围挡稀土过滤装置本体形成装置入口和用以对稀土组分与210Po化学反应形成的废水液体进行排出的疏水口；顶格栅板围挡稀土过滤装置本体形成装置出口。
其中，物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。
本发明所提供的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置，具有如下有益效果：
第一、通过主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成的稀土过滤装置过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中210Po的浓度低于国际放射性防治标准值，其中：稀土过滤膜中的稀土元素与210Po化学反应形成稳定化合物，该化合物性质稳定，熔点高，性质稳定，防止二次挥发；同时210Po 和其它放射性物质也能通过物理过滤膜过滤到一部分，过滤效率更高。
第二、物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构，能够减少工程实施的难度，过滤流体中其它腐蚀产物或放射性气体，应用范围广泛。
第三、稀土过滤膜中的稀土元素与210Po化学反应形成的产物除了稀土与钋的化合物外，其它产物少，同时相对于碱方法、电沉积、氢气提取方法产生的固体废物和废液较少，安全稳定，高效环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po装置的结构示意图。
图2是本发明实施例用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po装置的稀土过滤装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合参见图1-图2，为本发明用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po装置的实施例一。
本实施例中的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po装置，能够使 210Po和其它放射性物质通过稀土过滤膜21和物理过滤膜22后，大幅降低其放射性物质，同时可过滤其它杂质。其包括：
稀土过滤装置本体1和设置在稀土过滤装置本体1内部的多组稀土过滤装置2。其中，稀土过滤装置本体1为中空的容器结构，其具有容器壁11。稀土过滤装置本体1的内部设有连接在容器壁11上的顶格栅板12和底格栅板13，顶格栅板12和底格栅板13之间设有多组稀土过滤装置2。
进一步的，底格栅板13围挡容器壁11形成装置入口14和用以对稀土组分与210Po化学反应形成的废水等液体进行排出的疏水口15；顶格栅板12围挡容器壁11形成装置出口16。
具体实施时，含有210Po气溶胶的气体或含有210Po的冷却剂经由装置入口14进入稀土过滤装置本体1，然后通过底格栅板13后，进入多组稀土过滤装置2，气体经由多组稀土过滤装置2后，由顶格栅板12的出口排出，最后纯净的流体经由装置出口16排出。此期间，稀土过滤装置2中的稀土组分与210Po化学反应形成的废水等液体可由疏水口15排出。
进一步的，稀土过滤装置2主要由稀土过滤膜21和物理过滤膜22相结合组成，冷却剂或气体经过稀土过滤膜21，气体中的210Po气溶胶或冷却剂中的 210Po与稀土过滤膜21中的稀土组分反应形成稳定的化合物。
稀土过滤膜21中的稀土成分包括纯稀土、氧化物稀土、氢氧化物稀土等，比如：Y,La,Pr,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Pr2O3,Tm2O3,Nd2O3,Pr(OH)3,Tm(OH)3,Nd(OH)3等。其中，稀土元素(Re)与210Po吸附原理如下公式所示：
优选的，稀土过滤膜21中稀土组分的形状为粉末状、棒状、板状以及颗粒状中的至少一种形状。
进一步的，物理过滤膜22的作用是过滤去除气体中剩余的210Po气溶胶或冷却剂中剩余的210Po及其它杂质。具体实施时，物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。具体实施时，物理过滤膜22可以根据运行工况、温度、流体性质进行确定。
其中：稀土过滤膜21和物理过滤膜22相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。本实施例中，稀土过滤膜21和物理过滤膜22使用粘合剂23通过喷涂进行连接。当然，也可弥散、沉积、填充等方式与物理过滤膜结合，具体结合方式需根据选择的物理过滤膜22的不同而不同。稀土过滤膜21中稀土组分设计为粉末状、棒状、板状、颗粒状等不同形状，便于粘合剂23对其与物理过滤膜22进行结合。
优选的，冷却剂中钋的主要成分为PbPo，气体中钋的主要成分为H2Po；稀土过滤膜中的稀土组分与钋化合物的熔点分别大于1000℃，如此设置的作用是高熔点利于所形成的化合物性质稳定，不易二次挥发。
具体实施时，如图2所示，含有210Po气溶胶的气体或含有210Po的冷却剂流体按方向A经过稀土过滤膜21和物理过滤膜22后，由方向B流出。210Po先与稀土过滤膜21中的稀土成分化学反应形成稳定的化合物。60％的210Po可以被稀土过滤膜21过滤，剩余210Po和其它杂质可以被物理过滤膜22过滤。最后由物理过滤膜22过滤的流体能去除99％的210Po和其它杂质。如此设计优点在于能保证210Po能先与稀土元素形成稳定化合物，防止210Po二次挥发，同时该结构中物理过滤膜22能够过滤大部分其它杂质，用途非常广泛。
在此过程中，通过210Po与稀土的化学反应和物理过滤膜22后，能很好的过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中210Po浓度低于国际放射性防治标准限值以下，同时保护人员免遭210Po放射性危害。
本发明还公开了一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，包括以下步骤：通过主要由稀土过滤膜21和物理过滤膜22相结合组成的稀土过滤装置1过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中 210Po的浓度低于国际放射性防治标准值；稀土过滤膜21和物理过滤膜22相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。
其中，物理过滤膜22包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。
其中，稀土过滤膜21的成分包括：纯稀土、氧化物稀土以及氢氧化物稀土 中的至少一种组分。比如：Y,La,Pr,Ce,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Pr2O3,Tm2O3,Nd2O3,Pr(OH)3,Tm(OH)3,Nd(OH)3等。其中，稀土元素(Re)与210Po吸附原理如下公式所示：
优选的，稀土过滤膜21中稀土组分的形状为粉末状、棒状、板状以及颗粒状中的至少一种形状。
优选的，冷却剂中钋的主要成分为PbPo，气体中钋的主要成分为H2Po；稀土过滤膜中的稀土组分与钋化合物的熔点分别大于1000℃，如此设置的作用是高熔点利于所形成的化合物性质稳定，不易二次挥发。
进一步的，物理过滤膜22的作用是过滤去除气体中剩余的210Po气溶胶或冷却剂中剩余的210Po及其它杂质。具体实施时，物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。具体实施时，物理过滤膜22可以根据运行工况、温度、流体性质进行确定。
其中：稀土过滤膜21和物理过滤膜22相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。本实施例中，稀土过滤膜21和物理过滤膜22使用粘合剂23通过喷涂进行连接。当然，也可弥散、沉积、填充等方式与物理过滤膜结合，具体结合方式需根据选择的物理过滤膜22的不同而不同。稀土过滤膜21中稀土组分设计为粉末状、棒状、板状、颗粒状等不同形状，便于粘合剂23对其与物理过滤膜22进行结合。
优选的，冷却剂中钋的主要成分为PbPo，气体中钋的主要成分为H2Po；稀土过滤膜中的稀土组分与钋化合物的熔点分别大于1000℃，如此设置的作用是 高熔点利于所形成的化合物性质稳定，不易二次挥发。
具体实施时，如图2所示，含有210Po气溶胶的气体或含有210Po的冷却剂流体按方向A经过稀土过滤膜21和物理过滤膜22后，由方向B流出。210Po先与稀土过滤膜21中的稀土成分化学反应形成稳定的化合物。60％的210Po可以被稀土过滤膜21过滤，剩余210Po和其它杂质可以被物理过滤膜22过滤。最后由物理过滤膜22过滤的流体能去除99％的210Po和其它杂质。如此设计优点在于能保证210Po能先与稀土元素形成稳定化合物，防止210Po二次挥发，同时该结构中物理过滤膜22能够过滤大部分其它杂质，用途非常广泛。
在此过程中，通过210Po与稀土的化学反应和物理过滤膜22后，能很好的过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中210Po浓度低于国际放射性防治标准限值以下，同时保护人员免遭210Po放射性危害。
实施本发明的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法和装置，具有如下有益效果：
第一、通过主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成的稀土过滤装置过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中210Po的浓度低于国际放射性防治标准值，其中：稀土过滤膜中的稀土元素与210Po化学反应形成稳定化合物，该化合物性质稳定，熔点高，性质稳定，防止二次挥发；同时210Po和其它放射性物质也能通过物理过滤膜过滤到一部分，过滤效率更高。
第二、物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构，能够减少工程实施的难度，过滤流体中其它腐蚀产物或放射性气体，应用范围广泛。
第三、稀土过滤膜中的稀土元素与210Po化学反应形成的产物除了稀土与钋的化合物外，其它产物少，同时相对于碱方法、电沉积、氢气方法产生的废物较少，安全稳定，高效环保。

Claims (9)

1.一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成的稀土过滤装置过滤气体中210Po气溶胶或冷却剂中210Po，使冷却剂和气体中210Po的浓度分别低于国际放射性防治标准值；
所述稀土过滤膜和物理过滤膜相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式或是所述稀土过滤膜和所述物理过滤膜通过粘合剂连接，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。
2.如权利要求1所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，其特征在于，所述物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。
3.如权利要求1或2所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，其特征在于，所述稀土过滤膜的成分包括：纯稀土、氧化物稀土以及氢氧化物稀土中的至少一种组分。
4.如权利要求3所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，其特征在于，所述稀土过滤膜中稀土组分的形状为粉末状、棒状、板状以及颗粒状中的至少一种形状。
5.如权利要求3所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的方法，其特征在于，所述的冷却剂中210Po的主要成分为PbPo和/或Po，所述的气体中210Po的主要成分为H2Po或Po(OH)2；
所述稀土过滤膜中的稀土元素与210Po形成的化合物的熔点分别大于1000℃。
6.一种用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的装置，其特征在于，包括稀土过滤装置，所述稀土过滤装置主要由稀土过滤膜和物理过滤膜相结合组成，冷却剂或气体经过稀土过滤膜，气体中的210Po气溶胶或冷却剂中的210Po与所述稀土过滤膜中的稀土组分反应形成稳定的化合物，后经物理过滤膜的过滤去除气体中剩余的210Po气溶胶或冷却剂中剩余的210Po及其它杂质；
所述稀土过滤膜和物理过滤膜相结合使用喷涂、植入、晶体生长、电沉积、填充和/或弥散方式中的至少一种结合方式，用以保证气体和/或液体具有较好的通过率，同时过滤气体和/或液体中的其它杂质。
7.如权利要求6所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的装置，其特征在于，所述稀土过滤膜的成分包括：纯稀土、氧化物稀土以及氢氧化物稀土中的至少一种组分；
所述稀土过滤膜中稀土组分的形状为粉末状、棒状、板状以及颗粒状中的至少一种形状。
8.如权利要求6或7所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的装置，其特征在于，所述稀土过滤装置还包括：稀土过滤装置本体和设置在所述稀土过滤装置本体内部的顶格栅板和底格栅板之间，所述主要由稀土过滤膜和物理过滤膜组成的多组稀土过滤装置固定装设在所述顶格栅板和所述底格栅板之间；
所述底格栅板围挡所述稀土过滤装置本体形成装置入口和用以对稀土组分与210Po化学反应形成的废水液体进行排出的疏水口；所述顶格栅板围挡所述稀土过滤装置本体形成装置出口。
9.如权利要求6所述的用于铅基快堆或ADS次临界系统中去除210Po的装置，其特征在于，所述物理过滤膜包括：陶瓷过滤、玻璃纤维、二氧化硅过滤、滤布、深床滤器、金属过滤器以及蜂窝式过滤器中的任一种过滤结构。
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