CN114112798B - 磷酸三钠溶解速率实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核电安全技术领域内的一种磷酸三钠溶解速率实验系统，包括供水水箱、循环泵、PH调节篮、加热器、温控装置、阀门、第一流量计、取样管以及溶解水箱；供水水箱的出水口、循环泵、第一流量计、溶解水箱、温控装置、加热器以及供水水箱的进水口通过管道依次连通形成闭环循环回路，取样管连通于溶解水箱与温控装置之间的管路上，温控装置控制加热器的输出功率，第一阀门设置于溶解水箱的进口端外并用于控制溶解水箱的进液，第二阀门作为溶解水箱的旁通支路并联设置。本发明能够有效探究磷酸三钠在水溶液中随温度、流量、有效接触面积等参数变化的溶解特性,为掌握TSP在不同工况下的溶解规律对计算放射性碘的释放份额具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及核电安全技术领域，具体地，涉及一种磷酸三钠溶解速率实验系统。
背景技术
事故源项分析：在事故情况下广泛使用的、用于表示从给定的源中放射性物质实际的或潜在的释放信息。包括放射性物质的数量、同位素组成、释放率和释放方式等。
AP1000核电厂：AP1000是一种先进的非能动型压水堆核电技术，核燃料在反应堆内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，AP1000最大的特点就是设计简练，易于操作，而且充分利用了诸多“非能动的安全体系”，进一步提高了核电站的安全性，同时也能显著降低核电机组建设以及长期运营的成本。
安全壳喷淋系统：安全壳喷淋系统用于在失水事故和安全壳内主蒸汽管道破裂事故后降低安全壳内的峰值压力和温度以防止安全壳超压的系统。它是压水堆核电厂中的专设安全设施之一。
LOCA事故：即失去一回路冷却剂。主要由以下原因引起：一回路管道或辅助系统的管道破裂；一回路或辅助系统管道上的阀门意外打开或不能关闭；输送一回路介质的泵的轴封或阀杆泄漏。
电感耦合等离子体发射光谱仪：通过将试样引入等离子体光源，待测元素原子或离子最外层电子受激处于激发态，由激发态粒子回到基态产生的能级跃迁所辐射出来的复合光，经分光系统分解为单色光。根据特征光谱的波长和强度，能够对待测元素进行定性定量分析。
设计基准事故后安全壳内放射性碘的化学形态，是事故后放射性核素的去除效率和释放份额的决定性因素，对事故源项分析和放射性分析至关重要。在安全壳喷淋系统(EAS)的喷淋水中添加磷酸三钠(TSP)替代NaOH，能够调节喷淋液的pH值，有效地去除从泄漏的冷却水中释放至安全壳中的碘气体，避免强碱对工作人员的伤害。但是，对AP1000核电厂LOCA事故后pH值调节计算的调研结果表明：LOCA事故后pH调节篮的浸没和磷酸三钠(TSP)的溶解需要时间，特别是当TSP吸水结块时，TSP溶解所需时间可能会达到三个小时，从而导致pH值升高可能需要数个小时。然而根据GB6249-2011核动力厂环境辐射防护规定的要求，事故后2小时的放射性释放对设计基准事故放射性分析至关重要。因此，掌握TSP在不同工况下的溶解规律对计算放射性碘的释放份额具有重要意义。
调研发现，国内尚未开展对TSP溶解速率的相关实验研究。美国西屋公司曾在上世纪进行过相关实验，但相关数据极少且条件模糊，不足以支撑国内放射性分析的需要。因此，亟需开展相关研究。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磷酸三钠溶解速率实验系统。
根据本发明提供的一种磷酸三钠溶解速率实验系统，包括供水水箱、循环泵、PH调节篮、加热器、温控装置、阀门、第一流量计、取样管以及溶解水箱；
所述PH调节篮用于盛放磷酸三钠后置于所述溶解水箱内，所述阀门包括第一阀门和第二阀门，所述供水水箱的出水口、所述循环泵、所述第一流量计、所述溶解水箱、所述温控装置、所述加热器以及所述供水水箱的进水口通过管道依次连通形成闭环循环回路，所述取样管连通于所述溶解水箱与所述温控装置之间的管路上，所述温控装置通过获取管路中的溶液温度控制所述加热器的输出功率，所述第一阀门设置于所述溶解水箱的进口端并用于控制所述溶解水箱的进液，所述第二阀门作为所述溶解水箱的旁通支路并联设置；
系统回路中的溶液参数未达到设定值时，关闭所述第一阀门并打开所述第二阀门，系统回路中的溶液流经所述第二阀门，所述溶解水箱内无溶液流入；系统回路中的溶液参数达到设定值时，开启所述第一阀门并关闭所述第二阀门，溶液流经所述溶解水箱，所述PH调节篮内的磷酸三钠溶解，实验开始；取样时，通过所述取样管进行取样。
一些实施方式中，所述PH调节篮位于所述溶解水箱内的高度能够进行调节，通过调节所述PH调节篮位于所述溶解水箱内的高度调整所述磷酸三钠与溶液的接触面积。
一些实施方式中，所述循环泵与所述第一流量计之间还设置有调节阀，所述调节阀用于对系统回路中的流量进行调节。
一些实施方式中，还包括安全阀，所述安全阀与所述循环泵并联设置，当系统回路中的压力大于所述安全阀的阈值时其自动打开进行泄压。
一些实施方式中，还包括稳压子系统，所述稳压子系统包括增压泵和稳压罐，所述增压泵的一端和所述供水水箱的出水口连通，所述增压泵的另一端和所述稳压罐连通，所述稳压罐的另一端连通于所述循环泵的下游管路上；
所述稳压子系统用于系统回路压力低于预设压力值时向系统回路内进行补水。
一些实施方式中，当系统回路中的压力低于0.2Mpa时，所述稳压子系统启动并向系统回路内补水，当系统回路中的压力大于0.4Mpa时，所述稳压子系统关闭。
一些实施方式中，还包括传感器，所述传感器包括温度传感器、PH值传感器以及压力传感器，通过所述温度传感器、所述PH值传感器以及所述压力传感器时时反馈系统回路中的温度、PH值以及压力值。
一些实施方式中，还包括冷却取样子系统，所述冷却取样子系统包括热交换器和冷水机，所述冷水机与所述热交换器形成回路，所述热交换器的进出口连通于所述溶解水箱与所述温控装置之间的管路上，所述取样管连通于所述热交换器出口的下游管路上；
取样时，自所述溶解水箱内流出的溶液经所述热交换器进行热交换后，经所述取样管进行取样。
一些实施方式中，所述取样子系统中还安装有第二流量计，所述第二流量计设置于所述热交换器的进口端，所述热交换器的出口端还设置有一组所述温度传感器和一组所述压力传感器。
一些实施方式中，还包括PID电控柜，所述循环泵、所述温控装置、所述阀门以及所述传感器均与所述PID电控柜电连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明搭建了高温高压的密闭实验系统回路，可通过集成PID电控柜模拟多种溶解过程，能够有效探究磷酸三钠在水溶液中随温度、流量、有效接触面积等参数变化的溶解特性,对掌握TSP在不同工况下的溶解规律计算放射性碘的释放份额具有重要意义。
2、本发明通过于系统回路中增设稳压子系统，防止沸腾空化引起循环泵的失效，确保系统运行的稳定性。
3、本发明通过增设循环泵的旁通支路以及设置取样子系统，提高对系统的安全性以及取样操作的安全性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为通过本发明的系统实测的TSP溶解速率效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种磷酸三钠溶解速率实验系统，如图1所示，包括供水水箱1、循环泵2、PH调节篮3、加热器4、温控装置5、阀门6、第一流量计7、取样管8以及溶解水箱(图中未显示)。溶解水箱为密闭箱体，PH调节篮3置于溶解水箱内，同时PH调节篮3内盛放磷酸三钠，溶解水箱内通入水溶液后，磷酸三钠与水接触后溶解。优选的，PH调节篮3于溶解水箱内的高度可调节，通过调节PH调节篮3位于溶解水箱内的高度达到调节磷酸三钠与水溶液的接触面积的效果。阀门6包括第一阀门61和第二阀门62，第一阀门61安装于溶解水箱的进口端之前，用于控制溶解水箱的溶液进入与否，第二阀门62与溶解水箱并联设置，第二阀门62形成溶解水箱的旁通支路，当系统回路中的溶液相应参数未达标之前，关闭第一阀门61并开启第二阀门62，此时系统回路中的溶液会绕过溶解水箱而形成回路进行循环。
如图1所示，供水水箱1、循环泵2、第一流量计7、第一阀门61、溶解水箱、温控装置5、加热器4以及供水水箱1依次连通，形成水溶液的循环回路，第一阀门61安装于溶解水箱的进口端，第二阀门62与溶解水箱并联设计作为旁通支路，在循环回路中的水溶液的温度、流量等参数未达到相应指标时，水溶液直接绕过溶解水箱进行循环。供水水箱1内盛放有水溶液，提供循环用水溶液，循环泵2实现实验回路的循环驱动，其回路中的流量通过循环泵2的功率输出进行调控。优选的，阀门6还包括第三阀门63，设置于供水水箱1和循环泵2之间。取样管8连通于溶解水箱与温控装置5之间的管路上，优选的，阀门6还包括第四阀门64和第五阀门65，第四阀门64安装于取样管8的下游，第五阀门65安装于取样管8上，关闭第四阀门64并打开第五阀门65后，通过取样管8进行取样。溶解水箱内通入水溶液后，位于PH调节篮3内的磷酸三钠溶解并自溶解水箱内流出，自溶解水箱内流出的溶液经加热器4加热后回流至供水水箱1内，供水水箱1内的溶液再经循环泵2的驱动进入溶解水箱内，依次往复循环。温控装置5根据获取的回路中的溶液温度与预设温度的差值调控加热器4增加加热功率、减小加热功率或保持加热功率不变。
本发明的工作原理为：PH调节篮内放入磷酸三钠后以高度可调的方式安装于溶解水箱内后，溶解水箱形成密封腔体。首先，对循环回路中的流量以及温度等参数进行调节，其调节的程序为：关闭第一阀门61并打开第二阀门62，启动循环泵2，供水水箱1内的水溶液依次经循环泵2、第一流量计7、第二阀门62、温控装置5、加热器4后流回至供水水箱1内，此时，循环泵2根据第一流量计7获取的循环回路中的流量数据进行功率调整，温控装置5根据获取的循环回路中的溶液温度调整加热器4的输出功率，当水溶液循环一定次数，循环回路中的水溶液的温度、流量等参数达到相应指标。其次，当循环回路中得水溶液的流量、温度达到预定指标后，开启第一阀门61并关闭第二阀门62，使得循环回路中的水溶液通过第一阀门61进入到溶解水箱内，溶解水箱内的水上升到一定高度后与磷酸三钠进行接触，磷酸三钠开始溶解，待溶解水箱内的水位到达出口后，溶解有磷酸三钠的溶液流出并依次经温控装置5、加热其4后流入供水水箱1内，且含有磷酸三钠的供水水箱1内的水溶液通过循环泵2再次实现循环。实验过程中通过调整PH调节篮3位于溶解水箱内的高度，调整磷酸三钠与水溶液的接触面积。取样操作时，根据预设温度、流量以及磷酸三钠与水溶液的接触面积三项参数指标的不同预设值，关闭第四阀门64并打开第五阀门65，通过取样管8进行取样，最终通过电感耦合等离子体发射光谱仪测得单位时间内溶解到回路中的磷酸三钠的含量，从而掌握不同工况下磷酸三钠的溶解规律。如图2所示，是温度间隔为10℃，重复上述实验及数据处理后得到的TSP关于温度的溶解速率变化规律。
本发明搭建了高温高压的密闭实验系统回路，可通过集成PID电控柜模拟多种溶解过程，能够有效探究磷酸三钠在水溶液中随温度、流量、有效接触面积等参数变化的溶解特性,对掌握TSP在不同工况下的溶解规律计算放射性碘的释放份额具有重要意义。
优选的，循环泵2与第一流量计7之间安装有调节阀16，调节阀16用于调节系统回路中液体流量的微调，进一步提高系统循环回路的流量调节精度。
优选的，系统回路中设置有传感器9，传感器9包括温度传感器91、PH值传感器92以及压力传感器93，进一步的，温度传感器91靠近溶解水箱的进口端设置，PH值传感器靠近溶解水箱的出口端设置，压力传感器91为两组，一组靠近第一流量计7的进口端设置，一组靠近溶解水箱的出口端设置。通过上述传感器的设置，能够时时对回路中的相关参数进行反馈，提高循环回路的相应参数的调节精度以及磷酸三钠溶解特性的解算精度。
优选的，系统回路中通过保温材料对回路中的管道包覆而达到保温效果，但保温材料对取样管以及取样系统回路不进行包覆处理。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过于系统回路中增设稳压子系统，防止沸腾空化引起循环泵的失效，确保系统运行的稳定性。具体地：
稳压子系统主要包括增压泵10和稳压罐11，增压泵10的进口端通过管道与供水水箱1连通，增压泵10的出口端通过管道与稳压罐11的进口端连通，稳压罐11的出口端连通于循环泵2与第一流量计7之间的管道上。优选的，阀门6还包括第六阀门66，第六阀门66安装于增压泵10与供水水箱1之间。当系统回路中溶液的温度超过其沸点并下降至一定压力时，打开第六阀门66，通过增压泵10将供水水箱1内的水溶液送入稳压罐11中，经稳压罐11的稳压后其水溶液被送入系统回路中，以此向系统回路中补充水溶液，增加回路压力，防止溶液沸腾空化引起循环泵2的失效。优选的，当压力传感器93检测到系统回路中的压力低于0.2Mpa时，稳压子系统气动向系统补水，当系统回路中的压力大于等于0.4Mpa时，稳压子系统停止，第六阀门66关闭。
实施例3
本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上形成，通过增设循环泵的旁通支路以及设置取样子系统，提高系统的安全性以及取样操作的安全性。具体地：
为提高循环泵2的安全性能，防止系统回路中因堵塞等原因导致压力过高而损害循环泵2，设置了与循环泵2并联的一个旁通支路，旁通支路上安装有安全阀12，安全阀12设有预定压力，当系统回路中的压力值超过预定压力后自动打开，以保护循环泵2的使用安全，以此提高系统的安全性。
由于系统中的加热温度最高能够达到120℃，取样时对操作人员存在一定的烫伤等风险，为此，循环系统回路上旁接一取样子系统。取样子系统并联设置于溶解水箱出口端与第四阀门64之间，取样子系统主要包括热交换器13和冷水机14，热交换器13和冷水机14两者形成闭环回路，冷水机14中的冷却液通入热交换器13内并往复循环，同时热交换器13的进口端通过管道连通于靠近溶解水箱出口端的管道上，其热交换器13的出口端通过管道连通于靠近第四阀门64的管道且位于第一阀门64的上游，取样管8连通于热交换器13出口端的管道上，另外，阀门6还包括第七阀门67，第七阀门67设置于热交换器13进口端的上游，用于控制水溶液是否进入热交换器13内。当需要取样时，关闭第四阀门64，打开第五阀门65和第七阀门67，自溶解水箱内的溶液经第七阀门67进入热交换器13内进行降温后，经第五阀门65后进行取样，此时取样溶液的温度可达到预设的温度，降低了取样操作时的烫伤等风险。当取样完成后，关闭第五阀门65和第七阀门67，打开第四阀门64，循环系统继续在循环泵2的驱动下循环运行。
进一步地，于取样子系统中还设置有第二流量计15，以及安装有一组温度传感器91和一组压力传感器93，第二流量计15设置于热交换器13的进口端，一组温度传感器91和一组压力传感器93设置于热交换器13的出口端。通过第二流量计15以及温度传感器91和压力传感器93的设置，可时时反馈取样子系统的相应参数，确保系统调节的精度。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，包括供水水箱(1)、循环泵(2)、PH调节篮(3)、加热器(4)、温控装置(5)、阀门(6)、第一流量计(7)、取样管(8)以及溶解水箱；
所述PH调节篮(3)用于盛放磷酸三钠后置于所述溶解水箱内，所述阀门(6)包括第一阀门(61)和第二阀门(62)，所述供水水箱(1)的出水口、所述循环泵(2)、所述第一流量计(7)、所述溶解水箱、所述温控装置(5)、所述加热器(4)以及所述供水水箱(1)的进水口通过管道依次连通形成闭环循环回路，所述取样管(8)连通于所述溶解水箱与所述温控装置(5)之间的管路上，所述温控装置(5)通过获取管路中的溶液温度控制所述加热器(4)的输出功率，所述第一阀门(61)设置于所述溶解水箱的进口端并用于控制所述溶解水箱的进液，所述第二阀门(62)作为所述溶解水箱的旁通支路并联设置；
系统回路中的溶液参数未达到设定值时，关闭所述第一阀门(61)并打开所述第二阀门(62)，系统回路中的溶液流经所述第二阀门(62)，所述溶解水箱内无溶液流入；系统回路中的溶液参数达到设定值时，开启所述第一阀门(61)并关闭所述第二阀门(62)，溶液流经所述溶解水箱，所述PH调节篮(3)内的磷酸三钠溶解，实验开始；取样时，通过所述取样管(8)进行取样；还包括传感器(9)，所述传感器(9)包括温度传感器(91)、PH值传感器(92)以及压力传感器(93)，通过所述温度传感器(91)、所述PH值传感器(92)以及所述压力传感器(93)时时反馈系统回路中的温度、PH值以及压力值；
还包括冷却取样子系统，所述冷却取样子系统包括热交换器(13)和冷水机(14)，所述冷水机(14)与所述热交换器(13)形成回路，所述热交换器(13)的进出口连通于所述溶解水箱与所述温控装置(5)之间的管路上，所述取样管(8)连通于所述热交换器(13)出口的下游管路上；
取样时，自所述溶解水箱内流出的溶液经所述热交换器(13)进行热交换后，经所述取样管(8)进行取样；
所述PH调节篮(3)位于所述溶解水箱内的高度能够进行调节，通过调节所述PH调节篮(3)位于所述溶解水箱内的高度调整所述磷酸三钠与溶液的接触面积。
2.根据权利要求1所述的磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，所述循环泵(2)与所述第一流量计(7)之间还设置有调节阀(16)，所述调节阀(16)用于对系统回路中的流量进行调节。
3.根据权利要求1所述的磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，还包括安全阀(12)，所述安全阀(12)与所述循环泵(2)并联设置，当系统回路中的压力大于所述安全阀(12)的阈值时其自动打开进行泄压。
4.根据权利要求1所述的磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，还包括稳压子系统，所述稳压子系统包括增压泵(10)和稳压罐(11)，所述增压泵(10)的一端和所述供水水箱(1)的出水口连通，所述增压泵(10)的另一端和所述稳压罐(11)连通，所述稳压罐(11)的另一端连通于所述循环泵(2)的下游管路上；
所述稳压子系统用于系统回路压力低于预设压力值时向系统回路内进行补水。
5.根据权利要求4所述的磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，当系统回路中的压力低于0.2Mpa时，所述稳压子系统启动并向系统回路内补水，当系统回路中的压力大于0.4Mpa时，所述稳压子系统关闭。
6.根据权利要求1所述的磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，所述取样子系统中还安装有第二流量计(15)，所述第二流量计(15)设置于所述热交换器(13)的进口端，所述热交换器(13)的出口端还设置有一组所述温度传感器(91)和一组所述压力传感器(92)。
7.根据权利要求1或6所述的磷酸三钠溶解速率实验系统，其特征在于，还包括PID电控柜，所述循环泵(2)、所述温控装置(5)、所述阀门(6)以及所述传感器(9)均与所述PID电控柜电连接。
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