CN112881242B - 一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，该系统包括取样测量管道、粉尘取样测量支路、高纯锗γ谱仪、天平以及激光粒度分析仪；本方案中的测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统其通过设置与高温气冷堆一回路相连的取样测量管道、粉尘取样测量支路、高纯锗γ谱仪、天平以及激光粒度分析仪，实验时位于高温气冷堆一回路中粉尘首先通过粉尘取样测量支路中的粉尘过滤器进行过滤，随后利用高纯锗γ谱仪、天平以及激光粒度分析仪对放射性粉尘的浓度、颗粒粒径分布以及粉尘载带的典型核素种类及其比活度进行测量，确定一回路冷却剂中放射性粉尘的基本信息。

Description

一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统
技术领域
本发明涉及反应堆工程技术领域，具体涉及一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统。
背景技术
国际上反应堆技术可以划分为四代，目前世界各国采用的反应堆技术大多属于第二代及其改进型。伴随着科学和技术的发展，以美国AP1000(Advanced PassivePressurized Water Reactor)、法国EPR(European Pressurized Reactor)、中国华龙一号为代表的第三代核电技术也已经建成运行。追求一种堆芯不会熔化的具有固有安全的反应堆技术，从根本上杜绝放射性的大量释放，是全球核能领域科研人员的一个梦想。超高温气冷堆及其原型堆——高温气冷堆就是这样一种堆型，采用含有TRISO(tristructural-isotropic)包覆颗粒的燃料元件，在最严重事故情况下TRISO包覆颗粒也能保持完整，从而将其核芯燃料中产生的绝大部份裂变产物都滞留其中。超高温气冷堆及高温气冷堆被国际社会公认为最为先进的第四代核能系统中的一种堆型。除具有固有安全外，它还具有较高的电热转换效率，可提供高温氦气和蒸汽，能够用于发电、制氢、炼钢、海水淡化等。
由清华大学核研院设计建造的10MW高温气冷堆HTR-10(10MW high temperaturegas-cooled reactor)是目前世界上唯一能够运行的球床式高温气冷堆。在此基础上，研发设计的球床模块式高温气冷堆核电站项目HTR-PM(High Temperature Modular PebbleBed Reactor Project)，作为国家科技重大专项，已经在山东荣成石岛湾开工建造，目前已经进入调试阶段。HTR-PM采用氦气作为一回路冷却剂，堆芯入口和出口氦气温度分别为250℃和750℃，一回路冷却剂压力为7MPa。HTR-PM具有两个模块，总的热功率为500MW，电功率为200MW。从理论上来讲，反应堆内所有放射性物质均来自于堆芯，包括裂变产物和活化产物。在堆芯中产生的放射性物质，随着氦气被循环载带到一回路系统的各个位置。从辐射监测的角度，可以把高温气冷堆中的源项划分为五类，即裂变产物、活化产物、放射性粉尘、氚和碳-14(氚和碳-14，既有裂变来源，也有活化来源)。裂变产物包括气体裂变产物和固体裂变产物，一般气体裂变产物会以气态形式在一回路中循环，构成一回路冷却剂氦气放射性的主要部分，而固体裂变产物在一回路冷却剂出堆芯后，由于温度的降低绝大部分会沉积在蒸汽发生器的传热管内表面。放射性粉尘一般会沉积在一回路的死区，或者被过滤到特定的尘埃过滤器中。为了保障反应堆的安全运行，维持一回路氦气的品质，在高温气冷堆一回路中设置有氦净化系统正常净化列，主要包括尘埃过滤器、氧化铜床、分子筛床、低温吸附器等设备，用于过滤一回路氦气中的放射性粉尘，去除一回路氦气中的气体裂变产物和氚、碳-14等杂质气体。从高温气冷堆氦净化系统正常净化列入口或者出口位置引出一回路氦气并进行测量，可以反映一回路冷却剂放射性活度浓度等信息，得到一回路氦气中放射性核素成份及活度水平和氦净化系统的净化效率数据，获得堆芯燃料元件总体破损率的信息，保障反应堆的安全运行。
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测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，该系统可以对高温冷气堆一回路氦气冷却剂中的放射性粉尘进行取样测量，确定粉尘浓度、粒径分布、粉尘载带的典型核素种类以及比活度，进而可以在高温气冷堆正常运行工况和堆芯升温事故情形下有效监测一回路冷却剂氦气的放射性水平，获得堆芯燃料元件包覆颗粒破损率的信息。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，所述系统包括：
取样测量管道，所述取样测量管道入口与高温气冷堆一回路相连；
粉尘取样测量支路，所述粉尘取样测量支路为多路，多路所述粉尘取样测量支路并联相连，每一所述粉尘取样测量支路包括测量支路、粉尘过滤器和四个阀门，所述粉尘过滤器安装在所述测量支路上，一对所述阀门串联安装在位于所述粉尘过滤器上游的所述测量支路上，另一对所述阀门串联安装在位于所述粉尘过滤器下游的所述测量支路上，所述取样测量管道出口与一对所述粉尘取样测量支路的前端相连；
高纯锗γ谱仪；
天平；
以及激光粒度分析仪。
在一些实施例中，所述系统还包括在线式γ监测仪，所述在线式γ监测仪布置在位于所述测量支路出口下游的管道外部。
在一些实施例中，所述系统还包括冷却器、减压阀和惰性气体取样罐，所述冷却器的一端通过取样测量管道与所述测量支路出口相连，所述冷却器的另一端通过取样测量管道与惰性气体取样罐相连，所述减压阀串联安装在位于所述冷却器与惰性气体取样罐之间的取样测量管道上。
在一些实施例中，所述系统还包括一串联管路，所述串联管路上安装有截止阀，所述惰性气体取样罐的前端和后端还分别设置有截止阀，所述串联管路并联安装在所述惰性气体取样罐的前后两端。
在一些实施例中，所述系统还包括减压阀、缓冲罐和惰性气体β监测仪，所述减压阀一端与所述惰性气体取样罐的后端相连，所述减压阀的另一端与所述缓冲罐相连，所述惰性气体β监测仪的一端与所述缓冲罐的另一端相连。
在一些实施例中，所述系统还包括氚取样器和液闪仪，所述氚取样器一端与所述缓冲罐的另一端相连，所述液闪仪与所述氚取样器相配合，用于对氚活度进行测量。
在一些实施例中，所述系统还包括碳-14取样器，所述碳-14取样器一端与所述缓冲罐的另一端相连，所述液闪仪与所述碳-14取样器相配合，用于对碳-14活度进行测量。
在一些实施例中，所述系统还包括氦气回收组件，所述氦气回收组件包括储气罐、膜压机以及电动截止阀，所述储气罐一端与所述惰性气体β监测仪、氚取样器以及碳-14取样器的末端相连，所述储气罐的另一端通过取样测量管道与所述膜压机的一端相连，所述膜压机的另一端与所述电动截止阀相连。
在一些实施例中，位于所述氚取样器的末端与所述储气罐之间的取样测量管道上还安装有干燥装置，位于所述碳-14取样器的末端与所述储气罐之间的取样测量管道上还安装有干燥装置。
在一些实施例中，位于所述粉尘过滤器一侧的一对所述阀门之间通过法兰相连。
本发明的有益效果为：本方案中的测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统其通过设置与高温气冷堆一回路相连的取样测量管道、粉尘取样测量支路、高纯锗γ谱仪、天平以及激光粒度分析仪，实验时位于高温气冷堆一回路中粉尘首先通过粉尘取样测量支路中的粉尘过滤器进行过滤，随后利用高纯锗γ谱仪、天平以及激光粒度分析仪对放射性粉尘的浓度、颗粒粒径分布以及粉尘载带的典型核素种类及其比活度进行测量，确定一回路冷却剂中放射性粉尘的基本信息；此外，经粉尘取样支路处理后的氦气通过在线式γ监测仪在管道外的探测，利用γ射线的穿透特性，对一回路氦气冷却剂中放射性核素总γ活度浓度进行连续在线监测；随后对经总γ活度浓度监测后的氦气进行降温并减压(温度和压力从～7MPa和250℃降至～1MPa和25℃)，利用高纯锗γ谱仪对取样罐中的一回路氦气进行核素谱分析，确定一回路典型惰性气体核素的种类和活度浓度；经核素分析后的氦气再通过惰性气体β监测仪，进行总β活度浓度的测量；此外通过采用氚取样器和碳-14取样器分别对氦气中的氚和碳-14进行累计取样，并结合液闪仪和流量计数据确定一回路冷却剂氦气中氚和碳-14的活度浓度；之后对经过氚取样器和碳-14取样器的一回路冷却剂氦气进行干燥，并汇合经过惰性气体β监测仪的一回路冷却剂氦气到储气罐，经过膜压机加压到～7MPa，送回高温气冷堆一回路，进行重复使用；综上所述，本方案可以在高温气冷堆正常运行工况和堆芯升温事故情形下有效监测一回路冷却剂氦气的放射性水平，获得堆芯燃料元件包覆颗粒总体破损率的信息。
附图说明
图1为本发明中的实验系统结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本发明为基于对高温气冷堆氦净化系统正常净化列多个位置处(主要是出口和入口)的氦气进行测量，可以反映一回路冷却剂放射性活度浓度等信息，得到一回路氦气中放射性核素成份及活度水平和氦净化系统的净化效率及运行状态数据，获得堆芯燃料元件总体破损率的信息，保障反应堆的安全运行的效果，进而对应的提出的一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，该系统可以对高温冷气堆一回路氦气冷却剂中的放射性粉尘进行取样，确定粉尘浓度、粒径分布、粉尘载带的典型核素种类以及比活度，进而可以在高温气冷堆正常运行工况和堆芯升温事故情形下有效监测一回路冷却剂氦气中放射性水平，获得堆芯燃料元件包覆颗粒破损率的信息。
参照附图1所示，本实施例提供一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，该系统包括取样测量管道、粉尘取样测量支路、高纯锗γ谱仪56、天平57以及激光粒度分析仪58。取样测量管道的入口与高温气冷堆一回路相连，在取样测量管道的入口处安装有电动截止阀1、温度计2、压力计3以及流量计4，用于对入口处进入的氦气参数进行对应的检测。一般情况下，入口处的氦气的压力大约为7MPa，温度约为250℃，流量约为10.5kg/h。粉尘取样测量支路为多路，多路粉尘取样测量支路并联相连(本实施例中仅描述了2路，不以为限)，每一粉尘取样测量支路包括测量支路、粉尘过滤器8(15)和四个阀门5、7、9、11(12、14、16、18)，粉尘过滤器8、15安装在测量支路上，一对阀门5、7(12、14)串联安装在粉尘过滤器8(15)上游的测量支路上，另一对阀门9、11(16、18)串联安装在位于粉尘过滤器8(15)下游的测量支路上，取样测量管道出口与一对粉尘取样测量支路的前端相连。采用两支路的设计，其可以在一支路进行取样工作时，另一支路可以进行粉尘过滤器的安装和拆卸。粉尘过滤器8(15)的过滤元件可以采用不锈钢烧结金属粉末或者不锈钢烧结金属纤维材料，保证可以耐受高温高压氦气。为了阀门之间可以进行拆卸，一对阀门之间通过法兰6、10、13、17相连。经粉尘过滤器过滤后的氦气后续通过高纯锗γ谱仪56、天平57以及激光粒度分析仪58对放射性粉尘上载带的典型核素的种类及其比活度、粉尘质量、颗粒粒径分布进行测量，确定一回路冷却剂中放射性粉尘的基本信息。
为了能够对一回路中的放射性核素总γ活度浓度进行在线实时监测，粉尘取样测量支路的末端通过取样测量管道继续向外延伸布置，即经过粉尘取样支路的氦气通过取样测量管道进行向后延伸，在此处的取样测量管道上布置有温度计19、压力计20和流量计21，并在取样测量管道外围布置有在线式γ监测仪22，在线式γ监测仪22对位于取样测量管道内的一回路冷却剂中γ核素进行测量，即利用γ射线的穿透特性，对一回路氦气冷却剂中放射性核素总γ活度浓度进行连续在线监测，优选的，在线式γ监测仪可以采用NaI探测器。
为了能够在线进行一回路冷却剂氦气中放射性核素的γ谱分析以及单个核素的活度浓度测量，该系统还包括冷却器23、减压阀25和惰性气体取样罐28，冷却器23的一端通过取样测量管道与上述测量支路末端相连，冷却器23的另一端通过取样测量管道与惰性气体取样罐28相连，减压阀25串联安装在位于冷却器23与惰性气体取样罐28之间的取样测量管道上，在惰性气体取样罐28的前后处分别设置有截止阀26、30，在惰性气体取样罐28与位于后端一侧的截止阀30之间还布置有压力计29，在冷却器23与减压阀25之间的还布置有温度计24，在惰性气体取样罐28上还并联有一串联管路，该串联管路上安装有截止阀31，串联管路并联安装在惰性气体取样罐28的前后两端。实验时，取样测量管道中的氦气进行前面的总γ射线监测后，通过冷却器23对一回路氦气进行降温，温度降至室温(25℃左右)，再经过减压阀28将取样测量管道中的氦气压力从7MPa降至1MPa，进入到惰性气体取样罐28中，将位于惰性气体取样罐28前后的截止阀26、30关闭，采用高锗γ谱仪27对取样罐中的一回路氦气进行核素谱分析，确定一回路典型惰性气体核素的种类和活度浓度，而与其并联的串联管路则保持氦气流通，保证本实验系统后续测量单元能够连续工作。
为了能够在线连续监测一回路氦气中放射性核素总β活度浓度，该系统还包括减压阀32、缓冲罐34和惰性气体β监测仪37，减压阀32一端与惰性气体取样罐28的后端相连，减压阀32的另一端与缓冲罐34相连，在位于缓冲罐34与减压阀32之间取样测量管道上还设置有压力计33，惰性气体β监测仪37的一端与缓冲罐34的另一端相连，在位于惰性气体β监测仪37与缓冲罐34之间的取样测量管道上还布置有截止阀35和流量计36，用于对进入到惰性气体β监测仪中的氦气流量进行监测。实验时，经过核素分析的一回路氦气，采用减压阀32对其压力进行进一步降低，从1MPa降至1个大气压，此时取样管道中的一回路氦气温度在室温(25℃左右)，氦气先流入一个较大容积的缓冲罐34，而后采用惰性气体β监测仪37，对缓冲罐34中的一回路氦气进行抽取和总β活度浓度的测量，惰性气体β监测仪37可以采用塑料闪烁体探测器，外置的流量计是针对氦气流量进行测量。
为了能够对氦气中氚的活度浓度检测，该系统还包括氚取样器41和液闪仪59，氚取样器41一端与缓冲罐34的另一端相连，液闪仪59与氚取样器41相配合，用于对氚活度进行测量。在位于氚取样器41与缓冲罐34之间的取样测量管道上还布置有截止阀39和流量计40。此外，为了防止经氚取样器处理后的氦气在重新返回一回路进行利用时，取样液中的水分进入到一回路中，在氚取样器41的末端还布置有干燥装置42和截止阀43。实验时，在进行一回路氦气总β测量的同时，可以采用氚取样器41对缓冲罐34中的气体进行抽取，对氦气中的氚进行累积取样，而后采用液闪仪59对氚活度进行测量，结合专门针对氦气流量测量的外置流量计，即可确定一回路氦气中氚活度浓度。干燥装置42为用于对经过氚取样器的一回路氦气进行除湿，防止取样液中的水分进入到一回路中。
为了能够对氦气中的碳-14的活度浓度进行检测，该系统还包括碳-14取样器46，碳-14取样器46一端与缓冲罐34的另一端相连，液闪仪59与碳-14取样器46相配合，用于对碳-14活度进行测量。在位于碳-14取样器46与缓冲罐34之间的取样测量管道上还设置有截止阀44和流量计45。同样，为了防止经碳-14取样器46处理后的氦气在重新返回一回路进行利用时，取样液中的水分进入到一回路中，在碳-14取样器46的末端还布置有干燥装置47和截止阀48。实验时，在进行一回路氦气总β和一回路氦气中氚测量的同时，可以采用碳-14取样器46对缓冲罐中34的气体进行抽取，对氦气中的碳-14进行累积取样，而后采用液闪仪对碳-14活度进行测量，结合专门针对氦气流量测量的外置流量计，即可确定一回路氦气中碳-14活度浓度。干燥装置47是用于对经过碳-14取样器的一回路氦气进行除湿，防止取样液中的水分进入到一回路中。
为了能够在对监测后的取样测量管道中的氦气进行回收利用，该系统还包括氦气回收组件，氦气回收组件包括储气罐49、膜压机50以及电动截止阀55，储气罐49一端分别通过截止阀38、43、48对应与惰性气体β监测仪37、氚取样器41以及碳-14取样器46的末端相连，储气罐49的另一端通过取样测量管道与膜压机50的一端相连，膜压机50的另一端与电动截止阀55相连，在位于膜压机50与电动截止阀55之间的取样测量管道上还依次布置有单向阀51、温度计52、压力计53以及流量计54。经过总β测量、氚取样测量、碳-14取样测量后的一回路氦气一起排入到储气罐中，这些氦气的压力和温度为常压常温。由于氦气资源有限，因此要考虑重复使用。实验时，测量后的氦气经过干燥，利用膜压机将储气罐中的氦气进行加压到7MPa，再送入一回路主管道中重复使用。此外，在整个取样系统与一回路管道相连接进行实验测量之前，应采用真空泵对整个系统(此时氚取样器和碳-14取样器关闭，防止其中的取样液倒灌进入到实验系统中)抽真空，除去其中的空气等杂质气体。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，其特征在于，所述系统包括：
取样测量管道，所述取样测量管道入口与高温气冷堆一回路相连；
粉尘取样测量支路，所述粉尘取样测量支路为两路，两路所述粉尘取样测量支路并联相连，每一所述粉尘取样测量支路包括测量支路、粉尘过滤器和四个阀门，所述粉尘过滤器安装在所述测量支路上，一对所述阀门串联安装在位于所述粉尘过滤器上游的所述测量支路上，另一对所述阀门串联安装在位于所述粉尘过滤器下游的所述测量支路上，所述取样测量管道出口与一对所述粉尘取样测量支路的前端相连；
高纯锗γ谱仪；
天平；
以及激光粒度分析仪；
粉尘取样测量支路的末端通过取样测量管道继续向外延伸布置，取样测量管道上布置有温度计、压力计和流量计，取样测量管道外围布置有在线式γ监测仪；
所述系统还包括冷却器、减压阀和惰性气体取样罐，所述冷却器的一端通过取样测量管道与所述测量支路出口相连，所述冷却器的另一端通过取样测量管道与惰性气体取样罐相连，所述减压阀串联安装在位于所述冷却器与惰性气体取样罐之间的取样测量管道上；
所述系统还包括减压阀、缓冲罐和惰性气体β监测仪，所述减压阀一端与所述惰性气体取样罐的后端相连，所述减压阀的另一端与所述缓冲罐相连，所述惰性气体β监测仪的一端与所述缓冲罐的另一端相连；
所述系统还包括氚取样器和液闪仪，所述氚取样器一端与所述缓冲罐的另一端相连，所述液闪仪与所述氚取样器相配合，用于对氚活度进行测量；
所述系统还包括碳-14取样器，所述碳-14取样器一端与所述缓冲罐的另一端相连，所述液闪仪与所述碳-14取样器相配合，用于对碳-14活度进行测量；
所述系统还包括氦气回收组件，所述氦气回收组件包括储气罐、膜压机以及电动截止阀，所述储气罐一端与所述惰性气体β监测仪、氚取样器以及碳-14取样器的末端相连，所述储气罐的另一端通过取样测量管道与所述膜压机的一端相连，所述膜压机的另一端与所述电动截止阀相连；
在位于膜压机与电动截止阀之间的取样测量管道上还依次布置有单向阀、温度计、压力计以及流量计。
2.根据权利要求1所述的一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，其特征在于，所述在线式γ监测仪布置在位于所述测量支路出口下游的管道外部。
3.根据权利要求2所述的一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，其特征在于，所述系统还包括一串联管路，所述串联管路上安装有截止阀，所述惰性气体取样罐的前端和后端还分别设置有截止阀，所述串联管路并联安装在所述惰性气体取样罐的前后两端。
4.根据权利要求1所述的一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，其特征在于，位于所述氚取样器的末端与所述储气罐之间的取样测量管道上还安装有干燥装置，位于所述碳-14取样器的末端与所述储气罐之 间的取样测量管道上还安装有干燥装置。
5.根据权利要求1所述的一种测量高温气冷堆一回路冷却剂氦气放射性的系统，其特征在于，位于所述粉尘过滤器一侧的一对所述阀门之间通过法兰相连。
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