CN110097986A - 一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法及其应用，解决了核反应堆一回路冷却剂的水化学参数监测方法中，须采用不同的化学设备和仪表分别实现锂浓度、硼浓度、pH的监测的问题。本发明包括(1)预先获得硼浓度、锂浓度和pH三者之间的关系式；(2)检测出待测溶液的锂浓度以及pH值，将检测得到的锂浓度以及pH值代入获得的关系式，计算得到待测溶液的硼浓度。本发明通过监测锂浓度和pH间接测量硼浓度,且无需单独配置相应的硼浓度测量设备和仪器，实现硼浓度测量的零采购成本，同时避免由设备增加带来安装空间、维修和维护等附加成本。

Description

一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法及其应用
技术领域
本发明涉及硼浓度的监测领域，具体涉及一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法。
背景技术
由于硼-10(10B)具有对热中子吸收截面大的物理性质(10B的热中子吸收截面为3837靶)，其化合物常作为可溶性中子吸收剂使用。基于该物理性质，硼酸被广泛用于调节核反应堆的反应性。
在核反应堆应用中，通过将天然硼酸(由10B和11B组成，其中10B丰度约19.78％)注入一回路冷却剂中实现反应性调节。由于硼酸为弱酸，若只添加硼酸，一回路冷却剂的pH处于酸性范围，将对结构材料和包壳材料产生不利影响。因此，需加入碱化剂以控制一回路冷却剂的pH值在6.9-7.4之间，使其呈弱碱性。通常采用氢氧化锂作为碱化剂注入一回路冷却剂中，采用硼锂协调的方式控制一回路冷却剂。
为保证核反应堆一回路冷却剂的水化学状况可控，须对一回路冷却剂中的化学参数进行监测。其中，对锂浓度、硼浓度、pH的监测是重点。在现有的水化学参数监测方法中，须采用不同的化学设备和仪表分别实现锂浓度、硼浓度、pH的监测，如采用离子色谱仪测量锂浓度，采用硼浓度分析仪测量硼浓度，采用pH计测量pH值。
针对硼浓度的测量，根据测量原理区分，常用的方法主要包括中子吸收法、密度法和滴定法。
中子吸收法的测量原理如下：利用硼-10(10B)的热中子吸收截面大的特征进行测量。采用中子源发射出中子流，当中子流进入样品时，一部分中子被吸收，并与样品中的10B发生核反应，未被吸收的中子被后端的中子探测器记录。通过测量吸收前后的中子通量，并计算其比值即可获得10B浓度，通过10B浓度和丰度计算得出样品中的硼浓度。
密度法的测量原理如下：利用在一定的硼酸浓度范围内，硼酸浓度与密度成线性关系的特征进行测量。当待测样品流入振动管时，振动管的横向自由振动频率随被测硼酸溶液密度的不同而变化，通过测量振动管的横向自由振动频率，根据振动频率计算得出硼酸溶液密度，从而换算得到硼浓度。
滴定法的测量原理如下：利用酸碱中和的原理进行测量。采用电位滴定法，在硼酸溶液中加入甘露醇后，用NaOH标准溶液进行滴定，检测滴定终点所对应的浓度，通过计算可得硼浓度。
上述方法测量硼浓度均需通过配置相应的硼浓度测量设备和仪器来实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：核反应堆一回路冷却剂的水化学参数监测方法中，须采用不同的化学设备和仪表分别实现锂浓度、硼浓度、pH的监测的问题，目的在于提供一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其适用于核反应堆一回路硼锂协调水质条件下的硼浓度监测，且无需单独配置相应的硼浓度测量设备和仪器，实现硼浓度测量的零采购成本，同时避免由设备增加带来安装空间、维修和维护成本等问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，包括:
(1)预先获得硼浓度、锂浓度和pH三者之间的关系式；
具体的，所述关系式的获得方法为：
配置不同浓度的硼锂混合液，获得不同浓度下硼锂混合液的pH值，对获得的硼浓度、锂浓度和对应的pH值进行整理，拟合曲线，进而获得硼浓度、锂浓度和pH值的关系式。
其中，获得的硼浓度、锂浓度和对应的pH值的方法同时包括以下三种：
1)保持锂浓度一定，配置不同硼浓度的混合液，检测对应混合液的pH值，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组一；
2)保持硼浓度一定，配置不同锂浓度的混合液，检测对应混合液的pH值，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组二；
3)保持硼浓度与锂浓度的比值一定，配置不同浓度的混合液，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组三；
将数组一、数组二和数组三进行汇总后拟合曲线，即可获得关系式。
(2)检测出待测溶液的锂浓度以及pH值，将检测得到的锂浓度以及pH值代入获得的关系式，计算得到待测溶液的硼浓度。
本发明与现有的中子法、滴定法和密度法等硼浓度测量方法不同，本发明通过监测锂浓度和pH值，即可间接测量硼浓度，实现原理如下：
在核反应堆中，当一回路冷却剂采用硼锂协调水质时，采用去离子水作为慢化剂兼冷却剂，采用硼酸作为可溶性中子吸收剂控制反应性，采用氢氧化锂作为碱化剂控制pH。
在硼锂协调水质中，影响pH的化学物质分别为硼酸和氢氧化锂。在此情况下，硼浓度、锂浓度和pH呈一一对应关系。当硼浓度、锂浓度一定时，pH呈定值；同理，当锂浓度、pH一定时，硼浓度呈定值。
本发明专利基于上述原理，通过监测锂浓度和pH，根据锂、硼和pH三者间的内在化学关系，计算得到硼浓度。由于锂浓度和pH均为监测参数，在核电厂应用本发明，无须新增监测设备和仪器。
本发明为验证该方式的可行性，探索硼浓度、锂浓度和pH之间关系的规律性，进行了硼锂协调试验研究。试验通过配置不同浓度的硼锂混合液测量其pH值进行。试验结果见图1、图2和图3。
如图1所示，pH一定的情况下，硼浓度与锂浓度呈明显规律的正比关系；如图2所示，锂浓度一定的情况下，硼浓度与pH呈明显规律的反比关系；如图3所示，硼浓度一定的情况下，锂浓度与pH呈明显规律的正比关系。
根据上述试验结果，可解析出硼浓度、锂浓度和pH三者之间的关系式。实施过程中，采用化学仪表测量得到锂浓度和pH，可通过人工根据关系式计算得到硼浓度，也可通过计算机或自动化仪表根据关系式编程自动计算得到硼浓度。
进一步,所述步骤(2)中的待测溶液通过手动取样或在线取样的方式获得。
手动取样时，采用离子色谱仪分析锂浓度，采用pH计测量pH，将测量结果代入关系式即可解出硼浓度。解出硼浓度的方式为人工计算或通过计算机进行公式编辑实现自动计算。
在线取样时，利用计算机系统或自动化仪表采集数据，通过软件进行关系式编程，自动计算得到硼浓度。通过将在线离子色谱仪和在线pH计接入取样管线实现锂浓度和pH值的在线监测，监测结果以模拟信号或数字信号形式传输至数采和控制系统，通过关系式编程实现硼浓度的自动计算。
为了获得较高的准确率，数组一、数组二和数组三中均至少包括一组硼浓度、锂浓度和对应pH值的数据；其中，优选为数组一和数组二中均至少包括两组硼浓度、锂浓度和对应pH值的数据。
本发明的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法适用于在核反应堆一回路冷却剂碱性水质工况中的应用。尤其适用于在硼锂协调水质工况下的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过监测核反应堆一回路冷却剂中锂浓度和pH，根据锂、硼和pH三者间的内在化学关系，计算得到硼浓度；
2、本发明无需单独配置相应的硼浓度测量设备和仪器，适用于核反应堆一回路硼锂协调水质条件下的硼浓度监测方法，实现硼浓度测量的零采购成本，同时避免由设备增加带来安装空间、维修和维护成本等问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为pH一定时硼浓度与锂浓度的线性关系图。
图2为锂浓度一定时硼浓度与pH值的线性关系图。
图3为硼浓度一定时pH与锂浓度的线性关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，包括:
按一定规律配置不同浓度硼锂混合液，采用pH计测量混合液pH，并记录硼浓度、锂浓度和对应的pH。具体过程为：
1)保持锂浓度一定，配置不同硼浓度的混合液，采用pH计检测对应混合液的pH值，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组一；
2)保持硼浓度一定，配置不同锂浓度的混合液，采用pH计检测对应混合液的pH值，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组二；
3)保持硼浓度与锂浓度的比值一定，配置不同浓度的混合液，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组三；
将数组一、数组二和数组三进行汇总后拟合曲线，获得本发明检测用硼浓度、锂浓度和pH值之间的关系式。
具体的，本实施例中分别检测锂浓度为0.8mg/kg和1.5mg/kg的混合液在不同硼浓度下的pH值，通过硼浓度、锂浓度和pH值制作成如图2所示的线性关系图。本实施例中检测pH值为7.3时锂浓度与硼浓度之间的关系，通过硼浓度、锂浓度和pH值制作成如图1所示线性关系图。本实施例中还分别检测硼浓度为100mg/kg和300mg/kg的混合液在不同锂浓度下的pH值，通过硼浓度、锂浓度和pH值制作成如图3所示的线性关系图。
本实施例将上述3种测量结果进行整理，拟合曲线，并解析出硼浓度、锂浓度和pH的关系式，该关系式可以通过各种不同的常规的曲线拟合方式获得，例如通过常规的曲线拟合方式得到的下述关系式z＝a·xb·e-c·y，其中，Z-硼浓度，X-锂浓度，Y-pH值，a、b、c-常数，可通过试验解析得到。具体的，通过本发明如图1-图3所示的检测结果计算后获得公式如：z＝7.5×108·x0.9366·e-2.14·y。
本发明通过解析的关系式，结合方法可获得以下应用：
1)手动取样。分别采用离子色谱仪分析锂浓度，采用pH计测量pH，将测量结果代入关系式即可解析出硼浓度，可人工计算，也可通过计算机进行公式编辑实现自动计算。
具体的，本实施例中对核反应堆中的碱性水质进行采样，将采集的样品进行pH值以及锂浓度检测，将检测的结果代入关系式中，人工计算获得硼浓度。或者，本实施例中对核反应堆中的碱性水质进行采样，将采集的样品进行pH值以及锂浓度检测，同时，将关系式输入计算机获得编辑后的方程式，将检测的pH值以及锂浓度输入计算机即可自动计算，进而获得硼浓度。
或者，2)在线取样和监测。利用计算机系统或自动化仪表采集数据，通过软件进行关系式编程，自动计算得到硼浓度。
具体的，通过将在线离子色谱仪和在线pH计接入核反应一回路的取样管线，实现锂浓度和pH值的在线监测，将监测结果以模拟信号或数字信号形式传输至数采和控制系统，如，通过关系式的编程，实现硼浓度的自动计算。本发明中的数采和控制系统为现有结构，其可以采用中控ECS-700、西门子S7-1500等，上述型号的数采和控制系统均可实现本发明所需的功能。
本实施例中采用在线取样和监测的方式，仅仅只需要锂浓度和pH的检测设备，即可获得硼浓度、锂浓度和pH值这三种数据。因而，本发明无需单独配置相应的硼浓度测量设备和仪器，即可有效实现硼浓度测量。并且，有效实现硼浓度测量的零采购成本，同时避免由硼浓度测量设备增加所带来的安装空间、维修和维护成本等问题，效果十分显著。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，包括:
(1)预先获得硼浓度、锂浓度和pH值三者之间的关系式；
(2)检测出待测溶液的锂浓度以及pH值，将检测得到的锂浓度以及pH值代入获得的关系式，计算得到待测溶液的硼浓度。
所述关系式的获得方法为：
配置不同浓度的硼锂混合液，获得不同浓度下硼锂混合液的pH值，对获得的硼浓度、锂浓度和对应的pH值进行整理，拟合曲线，进而获得硼浓度、锂浓度和pH值的关系式。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，获得的硼浓度、锂浓度和对应的pH值的方法同时包括以下三种：
1)保持锂浓度一定，配置不同硼浓度的混合液，检测对应混合液的pH值，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组一；
2)保持硼浓度一定，配置不同锂浓度的混合液，检测对应混合液的pH值，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组二；
3)保持硼浓度与锂浓度的比值一定，配置不同浓度的混合液，获得包括硼浓度、锂浓度和对应pH值的数组三；
将数组一、数组二和数组三进行汇总后拟合曲线，获得关系式。
3.根据权利要求2所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，数组一、数组二和数组三中均至少包括一组硼浓度、锂浓度和对应pH值的数据。
4.根据权利要求1所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的待测溶液通过手动取样或在线取样的方式获得。
5.根据权利要求4所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，手动取样时，采用离子色谱仪分析锂浓度，采用pH计测量pH，将测量结果代入关系式即可解出硼浓度。
6.根据权利要求5所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，解出硼浓度的方式为人工计算或通过计算机进行公式编辑实现自动计算。
7.根据权利要求4所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，在线取样时，利用计算机系统或自动化仪表采集数据，通过软件进行关系式编程，自动计算得到硼浓度。
8.根据权利要求7所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法，其特征在于，通过将在线离子色谱仪和在线pH计接入取样管线实现锂浓度和pH值的在线监测，监测结果以模拟信号或数字信号形式传输至数采和控制系统，通过关系式编程实现硼浓度的自动计算。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种核反应堆碱性水质条件下硼浓度的监测方法在核反应堆一回路冷却剂碱性水质工况中的应用。
10.根据权利要求8所述的监测方法在硼锂协调水质工况下的应用。
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