CN110702468B - 一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用固体氧化剂的碳‑14取样系统，包括通过管道依次连接的入口测量部分、中间取样部分及出口测量部分，所述的出口测量部分还设置有除湿器，所述的中间取样部分包括多级取样瓶及加热及催化氧化装置，所述的多级取样瓶设置为4‑8级，分别装有蒸馏水和碳‑14取样液，各级取样瓶通过管道依次连接，所述的加热及催化氧化装置设置在多级取样瓶的中间位置，内装固体氧化剂，并连接有氧化再生回路，所述的氧化再生回路上设置有截止阀、氧气供应部分、压力计、温度计、流量计、隔膜式压缩机。本发明所述的系统可针对高温堆一回路氦气(空气或其他气体)中以14CO2和以14CO、14CH4等形态的碳‑14进行分离和多级取样收集，待测气体可循环回高温堆一回路重复使用。

Description

一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统
技术领域
本发明涉及反应堆工程技术领域，尤其涉及一种用于收集高温气冷堆一回路冷却剂氦气中的采用固体氧化剂的碳-14的取样系统。
背景技术
在国际上公认的最为先进的第四代核能系统中，超高温气冷堆是六种堆型中的一种。由于采用TRISO包覆燃料颗粒和特定的堆芯设计，使其具有固有安全特性，受到广泛关注。此外，超高温气冷堆还具有较高的电热转换效率和高的堆芯出口温度，在发电、制氢等方面具有广泛的用途。作为其原型堆，高温气冷堆在世界上多个国家得到发展和应用，包括英国、德国、美国、日本和中国等。10MW高温气冷堆(HTR-10)是由中国清华大学核研院自主研发设计建造的，是中国第一座气冷堆，也是目前世界上唯一正在运行的球床式高温气冷堆。它采用氦气作为一回路冷却剂，石墨作为慢化剂，并采用含有TRISO包覆燃料颗粒的球型燃料元件。高温气冷堆的安全特性，最为重要的是TRISO包覆燃料颗粒的设计。在直径为6cm的球型燃料元件中包含有大量的直径约为900μm的TRISO包覆燃料颗粒。TRISO包覆燃料颗粒的核芯为直径约为500μm的UO2燃料，外面包覆有四层包覆层：疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层。当UO2燃料核芯发生裂变反应时，产生大量的裂变产物，比如惰性气体核素(Kr、Xe等)、Cs-137、Sr-90、I-131等，包覆层中的SiC层作为最为重要的屏障，将绝大多数的裂变产物滞留在TRISO包覆颗粒内部，从而保证高温气冷堆的辐射安全。而碳-14不仅可以由三裂变产生，也可以由C-13、N-14、O-17等元素的活化产生。而在堆芯石墨等材料中，杂质元素依然存在一定数量，因此碳-14仍然会通过杂质元素的活化产生，进而释放到高温气冷堆一回路冷却剂中。由于碳-14的半衰期为5730年，非常容易循环进入生物圈，而且是公众剂量的主要贡献着，也是核电站辐照石墨废物的关键核素，因此对于碳-14的取样测量受到公众和核监管机构越来越多的关注。
在目前广泛投入商业化应用的二代和三代核电站上，对于碳-14的测量分析，都是针对于反应堆厂房区域气氛、流出物排放和核电站周边环境。一般采用的是法国SDEC公司的HAGUE7000 Carbon-14 Sampler。此种碳-14取样器，采用4级串联鼓泡的方法，针对的是含有氧气环境中的碳-14取样测量。但高温气冷堆一回路冷却剂为氦气，其中含有多种化学形态的气态碳-14，而且还含有多种化学形态的气态氚，会对碳-14取样和后续测量造成干扰。如上所述，HAGUE7000 Carbon-14 Sampler只针对碳-14的取样测量，并未考虑氚存在于待测气体时对碳-14取样测量的干扰。此外，在没有氧气等氧化剂的情况下，如高温气冷堆一回路冷却剂，无法实现对待测气体中以14CO、14CH4等化学形态的碳-14的取样收集，导致后续实验室所测量的碳-14活度浓度并不能真实反映待测气体中所有化学形态的碳-14的活度浓度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，以克服现有技术中不能对高温气冷堆一回路冷却剂氦气(空气或其他待测气体(尤其是不含有氧化气体的))中碳-14按照特定化学形态分别取样收集的问题，同时去除待测气体可能含有的氚对碳-14取样测量的影响，而且能够使得取样后的待测气体不引入新的杂质气体和水蒸气，进而可以返回高温气冷堆一回路循环使用。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，包括通过管道依次连接的入口测量部分、中间取样部分及出口测量部分，所述的入口测量部分和出口测量部分均设置有温度计、压力计、流量计，所述的中间取样部分包括多级取样瓶及加热及催化氧化装置，所述的多级取样瓶设置为4-8级，分别装有蒸馏水和碳-14取样液，各级取样瓶通过管道依次连接，所述的加热及催化氧化装置设置在多级取样瓶的中间位置，内装固体氧化剂，并连接有氧化再生回路，所述的氧化再生回路上设置有截止阀、氧气供应部分、压力计、温度计、流量计、隔膜式压缩机。
进一步，所述的入口测量部分和出口测量部分均设置有温度计、压力计、流量计；所述的多级取样瓶设置为4级，每一级取样瓶各设置2-3个；所述的加热及催化氧化装置设置在第二级取样瓶与第三级取样瓶之间。
进一步，所述的多级取样瓶部分，在加热及催化氧化装置之前包含有两级，第一级针对待测气体中化学形态为HTO、T2O的氚的去除，采用蒸馏水为去除液，第二级针对待测气体中化学形态为14CO2的碳-14的取样收集，采用NaOH溶液为取样液；在催化氧化部分之后也包含有两级，第三级针对待测气体中化学形态T2、HT、CH3T等被氧化为HTO、T2O的氚的去除，采用蒸馏水为去除液，第四级针对待测气体中化学形态14CO、14CH4等被氧化为14CO2的碳-14的取样收集，采用NaOH溶液为取样液；所述的NaOH溶液的浓度为0.1-2mol/L，各级取样瓶中取样液的用量足以吸收待测元素。
更进一步，每一级取样瓶各设置2个。
进一步，所述入口测量部分还设置有截止阀、单向阀、过滤器。
进一步，所述出口测量部分还设置有截止阀、单向阀、抽气泵、除湿器。
进一步，所述中间取样部分还设置有冷却回路，由冷却回路中的循环泵把冷凝液通过管道在每一个取样瓶内部循环，以保证取样瓶及取样液的温度保持在3-15℃。
进一步，所述的加热及催化氧化装置中采用的固体催化氧化剂是CuO-ZnO-Al2O3。
进一步，在催化及氧化前将待测气体加热到400-500℃。
更进一步，在催化及氧化前将待测气体加热到450℃。
本发明的效果在于：采用本发明所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，可以对高温气冷堆一回路冷却剂氦气(空气或其他待测气体)中的碳-14进行有效的多级取样收集；把氚和碳-14分离，去除氚对后续碳-14测量的干扰；按照化学形态，把碳-14中的14CO2收集，把碳-14中的14CO、14CH4等进行氧化后收集，并能够不引入外来杂质气体和水蒸气，使得待测气体可以循环回到原高温气冷堆一回路中重复使用。并且能够对固体催化氧化剂CuO-ZnO-Al2O3进行再生，延长其使用寿命。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统考虑了高温气冷堆一回路冷却剂为氦气中氚和碳-14同时存在，且具有多种化学形态的实际情况，采用多级分类取样的思路，设计多个模块以及固体催化氧化材料装置，可以实现对待测气体中碳-14按照某些特定的化学形态分别取样收集，并且能够在取样阶段分离氚和碳-14，为后续精确测定碳-14的活度浓度以及某些化学形态的碳-14比例关系提供基础，其测量后的氦气由于未引入杂质气体和水蒸气，可以循环进入高温气冷堆一回路重复利用。本装置不仅适用于高温气冷堆一回路冷却剂氦气、空气，也适用于其他气态待测气体中碳-14分类取样(尤其是待测气体中不含有氧气等氧化剂的情形)。
如图1所示，一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其中包括入口测量部分、中间取样部分及出口测量部分；所述入口测量部分依次连接有截止阀1、单向阀2、过滤器3、温度计4、压力计5、流量计7，在压力计5与管道之间设置有截止阀6；所述中间取样部分2包括多级取样瓶17-20、加热及催化氧化装置13、冷却器14、冷却回路及氧化再生回路，所述的多级取样瓶包括：装有蒸馏水的第一级取样瓶17，取样液为NaOH溶液的第二级取样瓶18，取装有蒸馏水的第三级取样瓶19，取样液为NaOH溶液的第四级取样瓶20，所述的多级取样瓶17－20依次串联，每一级取样瓶之间均设置有截止阀10、11、12、15、16(常开)；所述的加热及催化氧化装置13设置在第二级取样瓶18与第三级取样瓶19之间并与其通过管道连接，入口与出口处设置有截止阀12、15，出口处设置有冷却器14，其中的加热装置可以是加热炉，加热及催化氧化装置13内装固体氧化剂，并连接有氧化再生回路，所述的氧化再生回路上设置有控制氧气输入到管道的截止阀21、温度计22、压力计23、流量计25、截止阀26、截止阀27及隔膜式压缩机28，在压力计23与管道之间设置有截止阀24，通过隔膜式压缩机28使得氧气在氧化再生回路中循环流动；所述出口测量部分依次设置有截止阀36、单向阀35、抽气泵34、除湿器29、流量计30、温度计33、压力计32，在压力计32与管道之间设置有截止阀31。本实施例中，所述的多级取样瓶设置为四级，第一级到第四级取样瓶各设置有两个。所述的NaOH溶液的浓度为0.1-2mol/L，各级取样瓶中取样液的用量足以吸收待测元素。
本发明提供的碳-14取样系统能够对高温气冷堆一回路冷却剂氦气(空气或其他待测气体)中的碳-14进行有效的多级取样收集；把待测气体中可能存在的氚，与碳-14在取样阶段进行分离；按照化学形态，把待测气体中的14CO2收集，把待测气体中的14CO、14CH4等进行催化氧化后收集。同时入口部分的单向阀保证气流的单向流通，不会返回到原待测气体，过滤器用于阻止待测气体中的颗粒物进入取样系统，入口部分的温度计、压力计、流量计给出入口位置待测气体的温度、压力和流量信息。中间部分包含分级取样瓶部分、加热及催化氧化装置、冷却回路，所述的加热及催化氧化装置连接有氧化再生回路。所述的冷却回路包括通过管道依次连接的冷却液注入装置37、抽气泵38、热交换冷却装置39、温度计40、压力计41，截止阀42。分级取样瓶部分可以根据需要设置为4-8级，通常设置为4级就可以满足日常测量的需要，在催化氧化部分之前包含有两级，第一级针对待测气体中化学形态为HTO、T2O的氚的去除，采用蒸馏水为去除液，第二级针对待测气体中化学形态为14CO2的碳-14的取样收集，采用NaOH为取样液；在催化氧化部分之后也包含有两级，第三级针对待测气体中化学形态T2、HT、CH3T等被氧化为HTO、T2O的氚的去除，采用蒸馏水为去除液，第四级针对待测气体中化学形态14CO、14CH4等被氧化为14CO2的碳-14的取样收集，采用NaOH为取样液。具体每一级中取样瓶的数量，可以根据取样收集的效率进行调整，可以是两个、三个及其以上，基本上后一级的核素收集浓度是前一级的1/10。本实施例中，每一级设置的是两个取样瓶。
本实施例中，所述的加热及催化氧化部分，首先加热部分将待测气体加热到450℃，通常在250℃到500℃之间都可以，优选400－500℃。固体氧化剂采用CuO-ZnO-Al2O3材料，也可以是其他具有催化氧化作用的固体材料，其中CuO起氧化作用，ZnO-Al2O3起催化作用，上述材料均可从市场上购置。冷却回路中由循环泵把冷凝液通过管道在每一个取样瓶内部循环，以保证取样瓶及取样液的温度保持在3-15℃，减少取样液的蒸发。出口部分的单向阀保证气流的单向流通，不会返回到取样系统内部，出口部分的温度计、压力计、流量计给出出口位置待测气体的温度、压力和流量信息，出口部分含有除湿器和抽气泵，保证待测气体经过除湿后再排出。
采用本实施例中的取样系统，可以保证对于待测气体中(高温气冷堆一回路冷却剂氦气(空气或其他待测气体))碳-14的收集效率可以达到95％以上。
通过上述实施例，可以看出采用本发明所述的取样系统，可以实现以下显著技术效果：
(1)对高温气冷堆一回路冷却剂氦气中以14CO2和14CO、14CH4等化学形态存在的碳-14进行有效的分离取样收集；
(2)可以对待测气体中可能存在的氚，与碳-14在取样阶段进行分离，后续有利于提高实验室液闪仪测量结果的准确性，避免氚对碳-14测量的影响；
(3)结合后续实验室液闪仪测量，可以获得待测气体中(高温气冷堆一回路冷却剂氦气或空气中)以14CO2化学形态存在的碳-14和以14CO、14CH4等化学形态存在的碳-14的比例。
本领域技术人员应该明白，本发明所述系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，包括通过管道依次连接的入口测量部分、中间取样部分及出口测量部分，所述的入口测量部分和出口测量部分均设置有温度计、压力计、流量计，其特征在于：所述的中间取样部分包括多级取样瓶及加热及催化氧化装置，所述的多级取样瓶设置为4-8级，分别装有蒸馏水和碳-14取样液，各级取样瓶通过管道依次连接，所述的加热及催化氧化装置设置在多级取样瓶的中间位置，内装固体氧化剂，并连接有氧化再生回路，所述的氧化再生回路上设置有截止阀、氧气供应部分、压力计、温度计、流量计、隔膜式压缩机，所述的碳-14为高温气冷堆一回路氦气中的碳-14，所述的加热及催化氧化装置中添加有催化氧化剂，所述的催化氧化剂为CuO-ZnO-Al2O3材料；
所述的多级取样瓶部分，在加热及催化氧化装置之前包含有两级，第一级针对待测气体中化学形态为HTO、T2O的氚的去除，采用蒸馏水为去除液，第二级针对待测气体中化学形态为14CO2的碳-14的取样收集，采用NaOH溶液为取样液；在加热及催化氧化装置之后也包含有两级，第三级针对待测气体中化学形态T2、HT、CH3T被氧化为HTO、T2O的氚的去除，采用蒸馏水为去除液，第四级针对待测气体中化学形态14CO、14CH4被氧化为14CO2的碳-14的取样收集，采用NaOH溶液为取样液；所述的NaOH溶液的浓度为0.1-2mol/L，各级取样瓶中取样液的用量足以吸收待测元素。
2.如权利要求1所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：所述的多级取样瓶设置为4级，每一级取样瓶各设置2-3个；所述的加热及催化氧化装置设置在第二级取样瓶与第三级取样瓶之间。
3.如权利要求1或2所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：每一级取样瓶各设置2个。
4.如权利要求1或2所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：所述入口测量部分还设置有截止阀、单向阀、过滤器。
5.如权利要求1或2所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：所述出口测量部分还设置有除湿器、截止阀、单向阀、抽气泵。
6.如权利要求1或2所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：所述中间取样部分还设置有冷却回路，由冷却回路中的循环泵把冷凝液通过管道在每一个取样瓶内部循环，以保证取样瓶及取样液的温度保持在3-15℃。
7.如权利要求6所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：在催化及氧化前将待测气体加热到400-500℃。
8.如权利要求7所述的一种采用固体氧化剂的碳-14取样系统，其特征是：在催化及氧化前将待测气体加热到450℃。
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