CN117147404A - 一种氚渗透实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氚渗透实验技术领域，尤其涉及一种氚渗透实验系统及方法。氚渗透实验系统包括：充氚单元、充氦单元、渗透单元及真空单元；所述渗透单元包括包壳管、水管、密封件和二级容器，所述包壳管嵌套在所述水管内，所述水管嵌套在所述二级容器内，所述密封件包括气接头和水接头，所述气接头设置在包壳管端部，所述水接头设置在水管端部，所述气接头与所述包壳管连接的一端与所述水接头连接；所述包壳管内形成密封气室，所述密封气室分别与所述充氚单元和充氦单元连通，所述充氚单元和充氦单元与所述真空单元连通，所述真空单元与所述二级容器连通，通过本发明解决了高压下氚的泄漏和防护问题。
Description
技术领域
本发明涉及氚渗透实验技术领域，尤其涉及一种氚渗透实验系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
氚在核电站中引起关注的原因是它主要以氚冷却剂形式存在，氚的半衰期较长(12.3年)，如果其留在厂内，会导致冷却剂内放射性水平升高。氚冷却剂一旦吸入、食入或通过皮肤进入人体，会对人的健康构成伤害。氚在环境影响评价及环境监测中属于重点关注的核素，GB6249-2011对液态氚和气态氚的排放进行了严格限定。
压水堆核电厂中氚的主要产生途径是燃料裂变(三元裂变)、可燃毒物吸收体、次级中子源棒芯块、冷却剂中可溶硼和可溶锂及氘等，前三种途径产生的氚可通过包壳管材料渗透至冷却剂中。在进行压水堆核电厂设计时，需要给出不同包壳管的氚释放份额。氚在包壳管材料中的渗透过程是非常复杂的，因此，需要对包壳管的氚渗透性能进行实验研究。
现有技术中公开了一种氚渗透实验方法，在不锈钢包壳管内部充常压(略高于1atm或124kPa)T-He混合气，包壳管外部用He-Ne气将外表面渗出的氚吹扫到氚测试系统中。在压水堆核电厂中，冷却剂的温度比较高(～300℃左右)，运行压力约15MPa，为了防止包壳管变形，管内需预充一定压力的氦气。而上述的氚渗透实验未考虑高压下氚的泄漏和防护问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种氚渗透实验系统，以解决高压下氚的泄漏和防护问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种氚渗透实验系统，包括：充氚单元、充氦单元、渗透单元及真空单元；所述渗透单元包括包壳管、水管、密封件和二级容器，所述包壳管嵌套在所述水管内，所述水管嵌套在所述二级容器内，所述密封件包括气接头和水接头，所述气接头设置在包壳管端部，所述水接头设置在水管端部，所述气接头与所述包壳管连接的一端与所述水接头连接；所述包壳管内形成密封气室，包壳管与水管之间形成密封水室，所述密封气室分别与所述充氚单元和充氦单元连通，所述充氚单元和充氦单元与所述真空单元连通，所述真空单元与所述二级容器连通。
可选的，所述渗透单元还包括盘管，所述密封气室与所述充氚单元和充氦单元通过所述盘管连通，所述盘管呈螺旋状设置多圈，且所述盘管直径小于所述包壳管直径。
可选的，所述气接头为双锥管，所述气接头第一端为内锥面，所述气接头第二端为外锥面，所述水接头远离所述水管的一端为内锥面，所述气接头第一端的内锥面与所述盘管连接，所述气接头第二端的外锥面与所述水接头的内锥面连接。
可选的，所述密封件还包括第一螺母和第二螺母，所述盘管端部设置有锥接头，所述锥接头具有外锥面，所述锥接头的外锥面与所述气接头第一端的内锥面配合，所述第一螺母将所述锥接头压紧在所述气接头的第一端，所述第二螺母将所述气接头第二端压紧在所述水接头上。
可选的，还包括加热单元，所述二级容器设置在所述加热单元内，所述加热单元用于对所述渗透单元加热。
可选的，所述二级容器包括二级容器上盖和二级容器下筒，所述二级容器上盖与二级容器下筒密封连接，所述真空单元与所述二级容器上盖连通。
可选的，所述充氚单元与所述渗透单元连通的管路上设置有第一气动阀和第一手动阀，所述充氦单元与所述渗透单元连通的管路上设置有第二气动阀和所述第一手动阀，所述真空单元与所述渗透单元连通的管路上设置有第三气动阀和第二手动阀，所述真空单元与所述充氦单元连通的管路上设置有第四气动阀，所述真空单元与所述充氚单元连通的管路上设置有第五气动阀。
本发明实施例还提供了一种如上所述的氚渗透实验系统的氚渗透实验方法，包括：
所述充氚单元向所述渗透单元输入负压氚气；
所述充氦单元向渗透单元输入正压氦气；
所述渗透单元加热并冷却到室温。
可选的，所述充氚单元向渗透单元输入负压氚气包括：所述真空单元对密封气室抽真空至第一预设真空度；加热充氚单元至第一预设温度，释放氚气压力至第一预设压力；冷却充氚单元回收管道内剩余氚气；
所述充氦单元向渗透单元输入正压氦气包括：所述真空单元对充氦单元抽真空至第一预设真空度；充氦单元向管路充氦气至第二预设压力时；充氦单元回收管道内剩余氦气；
所述渗透单元加热并冷却到室温包括：对二级容器抽真空至第二预设真空度，二级容器下筒插入加热单元，加热单元升温至第二预设温度，保持第一预设时间后停止加热。
可选的，所述第一预设真空度为1×10-4Pa，所述第一预设温度为350℃，所述第一预设压力为10Pa～1000Pa，所述第二预设压力为5MPa，所述第二预设真空度为10Pa～100Pa，所述第二预设温度为150℃～350℃，所述第一预设时间为5h～50h。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明提出的一种氚渗透实验系统，通过密封件实现了密封气室和密封水室的双密封。密封气室内所有气体和密封水室内所有水气泄漏到二级容器内，依然能保持二级容器处于小于1bar的负压状态，真空二级容器设计有效地保证了高压氚操作的安全性。
2、不锈钢盘管的使用有效减少了高压氦和负压氚混合时氚外逸到气室外部，同时阻挡了加热气室向第一手动阀传热，提高了阀密封垫的高压密封稳定性。
3、本发明利用充氚系统实现了氚的精确注入，利用充氦系统实现氦的准确输入，提高了氚渗透实验参数控制的精确性，也降低了后续实验数据分析的不确定度。本发明提出的氚渗透实验系统，较好地模拟了压水堆核电站中不锈钢包壳管的工作环境，可以实现预设工况下的氚渗透及渗透后的测量分析，为固态样品高温高压下氚渗透理论研究的建立提供了实验样本，有助于提升压水堆核电厂氚源项设计的合理性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的氚渗透实验系统图；
图2是本发明实施例的渗透单元示意图；
图3是本发明实施例的密封件连接示意图；
图中：1、第一气动阀；2、第二气动阀；3、第三气动阀；4、第四气动阀；5、第五气动阀；6、第一手动阀；7、第二手动阀；8、充氚单元；9、充氦单元；10、真空单元；11、二级容器下筒；12、二级容器上盖；13、加热单元；14、包壳管；15、水管；16、密封件；17、气接头；18、水接头；19、第一螺母；20、第二螺母；21、锥接头。
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
针对当前压水堆核电厂氚源项设计需求，以及现有氚渗透试验技术的不足，通过优化和改进，提出了一种氚渗透实验系统，能够尽可能模拟压水堆核电厂的运行环境，同时提高系统的防护功能，能够解决当前不锈钢等包壳管中氚渗透释放份额评估等问题，提升压水堆核电厂氚源项设计的合理性。
如图1所示，本发明一实施例中提出了一种氚渗透实验系统，包括：充氚单元8、充氦单元9、渗透单元及真空单元10，所述渗透单元包括包壳管14、水管15、密封件16和二级容器，所述包壳管14嵌套在所述水管15内，所述水管15嵌套在所述二级容器内，所述密封件16包括气接头17和水接头18，所述气接头17设置在包壳管14端部，所述水接头18设置在水管15端部，所述气接头17与所述包壳管14连接的一端与所述水接头18连接；所述包壳管14内形成密封气室，包壳管14与水管15之间形成密封水室，所述密封气室分别与所述充氚单元8和充氦单元9连通，所述充氚单元8和充氦单元9与所述真空单元10连通，所述真空单元10与所述二级容器连通。其中，充氚单元8、充氦单元9及真空单元10的具体结构采用现有技术即可。
为了防止管内高压氦中的氚泄漏出来，设计了不锈钢密封件16实现密封，实现了密封气室和密封水室的双密封，同时满足了高温水气密封要求。为了实现氚的防护要求，在不锈钢包壳管14外设计一个真空二级容器，一旦发生泄漏，密封气室内所有气体和密封水室内所有水气泄漏到二级容器内，依然能保持二级容器处于小于1bar状态，将氚和水均能密封在二级容器内，通过真空二级容器设计有效地保证了高压氚操作的安全性。
如图1所示，所述充氚单元8与所述渗透单元连通的管路上设置有第一气动阀1和第一手动阀6，所述充氦单元9与所述渗透单元连通的管路上设置有第二气动阀2和所述第一手动阀6，所述真空单元10与所述渗透单元连通的管路上设置有第三气动阀3和第二手动阀7，所述真空单元10与所述充氦单元9连通的管路上设置有第四气动阀4，所述真空单元10与所述充氚单元8连通的管路上设置有第五气动阀5。所述第一手动阀6与第一气动阀1、第二气动阀2通过一个VCR三通接头相连，第二手动阀7与第三气动阀3相连。
如图2所示，所述渗透单元还包括盘管，所述密封气室与所述充氚单元8和充氦单元9通过所述盘管连通，所述盘管呈螺旋状设置多圈，且所述盘管直径小于所述包壳管14直径。盘管的作用是有效减少了高压氦和负压氚混合时氚外逸到气室外部。不锈钢盘管的另一作用是阻挡了加热气室向第一手动阀6传热，提高了阀密封垫的高压密封稳定性。
具体的，所述第一手动阀6与密封气室通过一根长2m外径1/8英寸不锈钢盘管相连，第一手动阀6与不锈钢盘管通过1/4VCR接头相连，密封气室与不锈钢盘管通过不锈钢密封件16相连。5MPa高压氦气从盘管上端输入时，不锈钢盘管中1kPa氚被高压氦气压入气室内，盘管结构可以起到有效减少高压氦和负压氚混合时氚外逸到气室外的作用。关闭第一手动阀6后，手动阀外部管路高压氦中的氚含量处于本底状态。如图3所示，2米长的不锈钢盘管盘成了14圈，长度约0.1m，VCR接头上连接第一手动阀6，气室最高加热点在盘管下端，第一手动阀6与最高加热点相距0.1m，有效阻挡了加热气室向第一手动阀6传热，提高了阀密封垫的高压密封稳定性。
如图3所示，所述气接头17第二端焊接在所述包壳管14上，所述水接头18焊接在所述水管15上，所述气接头17为双锥管，所述气接头17第一端为内锥面，所述气接头17第二端为外锥面，所述水接头18远离所述水管15的一端为内锥面，所述气接头17第一端的内锥面与所述盘管连接，所述气接头17第二端的外锥面与所述水接头18的内锥面连接。具体的，所述密封件16还包括第一螺母19和第二螺母20，所述盘管端部设置有锥接头21，所述锥接头21具有外锥面，所述锥接头21的外锥面与所述气接头17第一端的内锥面配合，所述第一螺母19将所述锥接头21压紧在所述气接头17的第一端，所述第二螺母20将所述气接头17第二端压紧在所述水接头18上。盘管上端与一个VCR接头焊接，盘管下端与一个锥接头21焊接，该锥接头21与气接头17第一端的内锥面通过铜垫实现密封，其接头第二端外锥面与水接头18的内锥面通过铜垫实现密封。
所述的氚渗透实验系统还包括加热单元13，所述二级容器设置在所述加热单元13内，所述加热单元13用于对所述渗透单元加热。所述二级容器包括二级容器上盖12和二级容器下筒11，所述二级容器下筒11和二级容器上盖12可通过CF80刀口法兰实现真空密封，所述真空单元10与所述二级容器上盖12连通。
本发明的氚渗透实验系统，利用充氚系统实现了氚的精确注入，利用充氦系统实现氦的准确输入，二级容器有效保障了氚渗透实验的氚安全性。该实验系统较好地模拟了核电站不锈钢包壳管14的工作工况，为固态样品高温高压氚渗透理论模型的建立提供了实验样本。
本发明还提供了一种基于所述的氚渗透实验系统的氚渗透实验方法，该氚渗透实验方法包括如下步骤(本方法执行前所有阀门处于关闭状态)：
(a)充氚单元8向渗透单元输入负压氚气：开启第一气动阀1、第五气动阀5和第一手动阀6，真空单元10的分子泵机组对密封气室抽真空至第一预设真空度时，关闭第一气动阀1、第五气动阀5、第一手动阀6；加热充氚单元8的储氚金属化学床至第一预设温度时，打开第一气动阀1、第一手动阀6，释放氚气压力至第一预设压力时，关闭第一手动阀6，冷却充氚单元8的储氚金属化学床到室温后回收管道内剩余氚气，关闭开启第一气动阀1；
(b)充氦单元9向渗透单元输入正压氦气：开启第二气动阀2、第四气动阀4，真空单元10的分子泵机组对充氦单元9抽真空至第一预设真空度时，关闭第四气动阀4；打开第一手动阀6、第二气动阀2，充氦单元9的高纯氦气钢瓶通过稳压阀向管路充氦气至第二预设压力时，关闭第一手动阀6，充氦单元9回收管道内剩余氦气，将剩余氦气回收至真空单元10的负压回收罐进行氚净化，同时对回收管道进行抽真空处理；第一手动阀6与第一气动阀1、第二气动断开并加VCR堵头密封。VCR堵头是1/4母头VCR堵头。第一手动阀6是口径为1/4英寸手动阀，接口为公头1/4英寸，需要用1/4母头VCR堵头进行密封，目的是防止氚从阀体内部漏出。
(c)渗透单元加热并冷却到室温：将渗透单元放置到二级容器下筒11内，二级容器上盖12置于二级容器下筒11上方，利用CF80铜垫实现二级容器上盖12和二级容器下筒11的密封，形成一个完整二级容器。开启第三气动阀3、第二手动阀7，对二级容器抽真空至第二预设真空度时，关闭第三气动阀3、第二手动阀7。二级容器下筒11插入加热单元13，加热单元13升温至第二预设温度时，保持第一预设时间后停止加热。
其中，所述第一预设真空度为1×10-4Pa，所述第一预设温度为350℃，所述第一预设压力为10Pa～1000Pa，所述第二预设压力为5MPa，所述第二预设真空度为10Pa～100Pa，所述第二预设温度为150℃～350℃，所述第一预设时间为5h～50h。
为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，以一个实例对本发明实施例提供的氚渗透实验方法进行说明。
本实施例氚渗透方法包括如下步骤(本方法执行前所有阀门处于关闭状态)：
(a)充氚单元8向渗透单元输入负压氚气：开启第一气动阀1、第五气动阀5和第一手动阀6，真空单元10的分子泵机组对密封气室抽真空至1×10-4Pa时，关闭第一气动阀1、第五气动阀5、第一手动阀6；加热充氚单元8至350℃时，打开第一气动阀1、第一手动阀6，释放氚气压力至1000Pa时，关闭第一手动阀6，冷却充氚单元8回收管道内剩余氚气，关闭开启第一气动阀1；
(b)充氦单元9向渗透单元输入正压氦气：开启第二气动阀2、第四气动阀4，真空单元10的分子泵机组对充氦单元9抽真空至1×10-4Pa时，关闭第四气动阀4；充氦单元9向管路充氦气至5MPa时，开、关第一手动阀6，充氦单元9回收管道内剩余氦气；第一手动阀6与第一气动阀1、第二气动阀2断开并加VCR堵头密封。
(c)渗透单元加热并冷却到室温：将渗透单元放置到二级容器下筒11内，二级容器上盖12置于二级容器下筒11上方，利用CF80铜垫实现二级容器上盖12和二级容器下筒11的密封，形成一个完整二级容器。开启第三气动阀3、第二手动阀7，对二级容器抽真空至80Pa时，关闭第三气动阀3、第二手动阀7。二级容器下筒11插入加热单元13，加热单元13升温至350℃时，保持5h后停止加热。
实验系统加热5h后，二级容器内依然保持预设真空度，未出现氚泄漏或水气泄漏情况。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种氚渗透实验系统，其特征在于，包括：充氚单元、充氦单元、渗透单元及真空单元；
所述渗透单元包括包壳管、水管、密封件和二级容器，所述包壳管嵌套在所述水管内，所述水管嵌套在所述二级容器内，所述密封件包括气接头和水接头，所述气接头设置在包壳管端部，所述水接头设置在水管端部，所述气接头与所述包壳管连接的一端与所述水接头连接；
所述包壳管内形成密封气室，包壳管与水管之间形成密封水室，所述密封气室分别与所述充氚单元和充氦单元连通，所述充氚单元和充氦单元与所述真空单元连通，所述真空单元与所述二级容器连通。
2.如权利要求1所述的氚渗透实验系统，其特征在于，所述渗透单元还包括盘管，所述密封气室与所述充氚单元和充氦单元通过所述盘管连通，所述盘管呈螺旋状设置多圈，且所述盘管直径小于所述包壳管直径。
3.如权利要求2所述的氚渗透实验系统，其特征在于，所述气接头为双锥管，所述气接头第一端为内锥面，所述气接头第二端为外锥面，所述水接头远离所述水管的一端为内锥面，所述气接头第一端的内锥面与所述盘管连接，所述气接头第二端的外锥面与所述水接头的内锥面连接。
4.如权利要求3所述的氚渗透实验系统，其特征在于，所述密封件还包括第一螺母和第二螺母，所述盘管端部设置有锥接头，所述锥接头具有外锥面，所述锥接头的外锥面与所述气接头第一端的内锥面配合，所述第一螺母将所述锥接头压紧在所述气接头的第一端，所述第二螺母将所述气接头第二端压紧在所述水接头上。
5.如权利要求1所述的氚渗透实验系统，其特征在于，还包括加热单元，所述二级容器设置在所述加热单元内，所述加热单元用于对所述渗透单元加热。
6.如权利要求1所述的氚渗透实验系统，其特征在于，所述二级容器包括二级容器上盖和二级容器下筒，所述二级容器上盖与二级容器下筒密封连接，所述真空单元与所述二级容器上盖连通。
7.如权利要求1所述的氚渗透实验系统，其特征在于，所述充氚单元与所述渗透单元连通的管路上设置有第一气动阀和第一手动阀，所述充氦单元与所述渗透单元连通的管路上设置有第二气动阀和所述第一手动阀，所述真空单元与所述渗透单元连通的管路上设置有第三气动阀和第二手动阀，所述真空单元与所述充氦单元连通的管路上设置有第四气动阀，所述真空单元与所述充氚单元连通的管路上设置有第五气动阀。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的氚渗透实验系统的氚渗透实验方法，其特征在于，包括：
所述充氚单元向所述渗透单元输入负压氚气；
所述充氦单元向渗透单元输入正压氦气；
所述渗透单元加热并冷却到室温。
9.如权利要求8所述的氚渗透实验方法，其特征在于，
所述充氚单元向渗透单元输入负压氚气包括：所述真空单元对密封气室抽真空至第一预设真空度；加热充氚单元至第一预设温度，释放氚气压力至第一预设压力；冷却充氚单元回收管道内剩余氚气；
所述充氦单元向渗透单元输入正压氦气包括：所述真空单元对充氦单元抽真空至第一预设真空度；充氦单元向管路充氦气至第二预设压力时；充氦单元回收管道内剩余氦气；
所述渗透单元加热并冷却到室温包括：对二级容器抽真空至第二预设真空度，二级容器下筒插入加热单元，加热单元升温至第二预设温度，保持第一预设时间后停止加热。
10.如权利要求9所述的氚渗透实验方法，其特征在于，所述第一预设真空度为1×10- 4Pa，所述第一预设温度为350℃，所述第一预设压力为10Pa～1000Pa，所述第二预设压力为5MPa，所述第二预设真空度为10Pa～100Pa，所述第二预设温度为150℃～350℃，所述第一预设时间为5h～50h。
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