RU2600732C1

RU2600732C1 - Apparatus for determining volatile substances output from heavy liquid metal coolant into gas medium

Info

Publication number: RU2600732C1
Application number: RU2015145943/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Васюхно; Вадим Владимирович Лемехов; Михаил Сергеевич Моркин; Валерий Владимирович Шушлебин
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2016-10-27

Abstract

FIELD: nuclear energy.

SUBSTANCE: invention relates to nuclear power engineering, to radiation analysis of materials. Volatile substances output from liquid metal coolant into gas medium determining device comprises gas circulation loop, including container with heating elements, in lower part of which coolant is located, and in upper one is gas supply and discharge branch pipes, refrigerator, flow meter and gas pumping compressor. Additionally, plant is equipped with coolant circulation pump. Container in lower part is equipped with coolant supply and discharge branch pipes. Branch pipes are correspondingly connected to circulation pump output and input with formation of coolant circulation loop. Coolant circulation loop is equipped with container with analyzed substance, sensor of oxygen activity, mass exchange device, filter and heating elements for said elements of coolant circulation loop, a gas circulation loop is equipped with bubbler and adsorber located downstream of refrigerator.

EFFECT: higher accuracy of analyses.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а более точно к радиационному анализу материалов.The invention relates to the field of nuclear energy, and more specifically to radiation analysis of materials.

Эксплуатация ядерных энергетических установок (ЯЭУ), использующих в качестве теплоносителя тяжелые металлы (свинец, свинец-висмут) сопровождается присутствием в газовом объеме этих установок радионуклидов в аэрозольной и паровой форме. Среди этих радионуклидов могут быть как продукты активации примесей теплоносителя и продуктов коррозии конструкционных материалов, так и продукты деления ядерного топлива, попадающие в теплоноситель при разгерметизации твэлов. Для обоснования безопасности реакторной установки (РУ) важно получить экспериментальные данные об уровнях активности среды газового объема РУ по основным радионуклидам, в числе которых для установок со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями рассматривается ²¹⁰Ро. В проекте РУ должна быть предусмотрена радиационная защита и локализующие системы, учитывающие активность газовой среды и находящегося в этой среде оборудования, для чего также требуются экспериментально подтвержденные данные.The operation of nuclear power plants (NPPs) using heavy metals (lead, lead-bismuth) as a coolant is accompanied by the presence in the gas volume of these plants of radionuclides in aerosol and vapor form. Among these radionuclides there may be both products of activation of coolant impurities and corrosion products of structural materials, and nuclear fuel fission products that enter the coolant during depressurization of fuel elements. To justify the safety of the reactor installation (RU), it is important to obtain experimental data on the activity levels of the medium of the gas volume of the RU for the main radionuclides, among which ²¹⁰ Po are considered for installations with lead and lead-bismuth coolants. The design of the switchgear should provide for radiation protection and localization systems that take into account the activity of the gas medium and the equipment located in this medium, which also requires experimentally confirmed data.

Для получения данных о значениях активностей нуклидов в газовом объеме и на поверхностях оборудования газового объема необходимо воссоздать условия переноса нуклидов из теплоносителя в газовую среду, подобные условиям в проектируемой РУ. Для этого создают специальные экспериментальные установки.To obtain data on the values of nuclide activities in the gas volume and on the surfaces of the gas volume equipment, it is necessary to recreate the conditions for the transfer of nuclides from the coolant to the gaseous medium, similar to the conditions in the designed switchgear. For this, special experimental facilities are created.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является установка для определения выхода летучих веществ из тяжелого жидкометаллического теплоносителя, содержащая петлю циркуляции газа, включающую емкость с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней выполнены патрубки подвода и отвода газа, фильтр для осаждения аэрозолей, холодильник, расходомер и компрессор для прокачки газа («Исследование свинцовых аэрозолей применительно к очистке газового контура реактора БРЕСТ-ОД-300», Мельников В.П., Мартынов П.Н. и др., доклад на конференции «Ядерные реакторы на быстрых нейтронах», стр. 54, Обнинск, 2003).The closest set of essential features is the installation for determining the yield of volatile substances from a heavy liquid metal coolant, containing a gas circulation loop, including a tank with heating elements, the coolant is located in the lower part, and gas supply and exhaust pipes, a filter for aerosol deposition are made in the upper part , a refrigerator, a flow meter and a compressor for pumping gas (“Study of lead aerosols as applied to cleaning the gas circuit of the BREST-OD-300 reactor”, Mel Nikov V.P., Martynov P.N. et al., report at the conference “Fast Reactor Nuclear Reactors”, p. 54, Obninsk, 2003).

Известная установка работает следующим образом. Непосредственно в емкости за счет нагревательных элементов осуществляют разогрев жидкометаллического теплоносителя, например свинца, до заданной температуры. Петлю циркуляции заполняют газом. Включают компрессор и таким образом организовывают циркуляцию газа по контуру. Необходимый расход газа устанавливают за счет расходомера. С поверхности свинца в газовый объем емкости испаряются вещества (нуклиды), растворенные в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, а также сам теплоноситель. Газ, выходящий из емкости, проходит фильтр для осаждения аэрозолей, затем - холодильник, где охлаждается до определенных температур, далее - через расходомер, компрессор и поступает обратно в емкость, где петля циркуляции теплоносителя замыкается. Дисперсный состав и концентрацию аэрозолей в газовом контуре определяют с помощью лазерного спектрометра.Known installation works as follows. Directly in the tank due to the heating elements, the liquid metal coolant, for example lead, is heated to a predetermined temperature. The loop of circulation is filled with gas. Turn on the compressor and thus organize the circulation of gas along the circuit. The required gas flow rate is set at the expense of the flow meter. Substances (nuclides) dissolved in a heavy liquid metal coolant, as well as the coolant itself, evaporate from the surface of lead into the gas volume of the tank. The gas leaving the tank passes through a filter for sedimentation of aerosols, then the refrigerator, where it is cooled to certain temperatures, then through the flow meter, compressor and goes back to the tank, where the loop of the coolant circulates. The dispersed composition and concentration of aerosols in the gas circuit is determined using a laser spectrometer.

В известной лабораторной установке приближенно имитируются реальные условия только газового объема. Воспроизводится, главным образом, испарение теплоносителя, тогда как для примесных нуклидов возможен только диффузный процесс выхода к поверхности раздела фаз за счет различных скоростей приповерхностного течения расплава. Отсутствие циркуляции теплоносителя не позволяет поддерживать его качество идентичным качеству теплоносителя в РУ. Кроме того, известная установка позволяет изучать только нерадиоактивные аэрозоли.In a known laboratory setup, the real conditions of only the gas volume are approximately simulated. The evaporation of the coolant is mainly reproduced, while for impurity nuclides only the diffuse process of reaching the interface is possible due to different velocities of the surface flow of the melt. The lack of circulation of the coolant does not allow maintaining its quality identical to the quality of the coolant in the switchgear. In addition, the well-known installation allows you to study only non-radioactive aerosols.

Недостатком известной установки является отсутствие условий, имитирующих реальные условия течения теплоносителя, что отрицательно сказывается на точности исследований выхода летучих веществ их жидкометаллического теплоносителя в газовый объем.A disadvantage of the known installation is the lack of conditions simulating the real conditions of flow of the coolant, which negatively affects the accuracy of studies of the yield of volatile substances of their liquid metal coolant in the gas volume.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности исследований.The present invention is to improve the accuracy of research.

Техническим результатом изобретения является вариативность скоростей приповерхностного течения расплава в лабораторной установке при одновременном поддержании его качества и расширение номенклатуры исследуемых веществ, выходящих из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду.The technical result of the invention is the variability of the velocities of the near-surface flow of the melt in a laboratory setup while maintaining its quality and expanding the range of the investigated substances leaving the liquid metal coolant in a gaseous medium.

Технический результат достигается за счет того, что установка для определения выхода летучих веществ из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду, содержащая петлю циркуляции газа, включающую емкость с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней - патрубки подвода и отвода газа, фильтр для осаждения аэрозолей, холодильник, расходомер, компрессор для прокачки газа и трубку для подачи газа в петлю циркуляции газа, согласно изобретению установка дополнительно снабжена циркуляционным насосом для теплоносителя, в нижней части емкости выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителя, которые соответственно соединены с выходом и входом циркуляционного насоса с формированием петли циркуляции теплоносителя, при этом петля циркуляции теплоносителя дополнительно снабжена контейнером для размещения в нем исследуемого вещества, фильтром для удаления твердых частиц, массообменником, датчиком активности кислорода и нагревательными элементами, размещенными на оборудовании петли циркуляции теплоносителя, а петля циркуляции газа - барботером и адсорбером, расположенными последовательно после холодильника.The technical result is achieved due to the fact that the installation for determining the release of volatile substances from the liquid metal coolant into the gaseous medium, containing a loop of gas circulation, including a container with heating elements, in the lower part of which is a coolant, and in the upper - gas supply and exhaust pipes, filter for aerosol deposition, a refrigerator, a flow meter, a compressor for pumping gas and a pipe for supplying gas to the gas circulation loop, according to the invention, the installation is further provided with circulation heat carrier, in the lower part of the tank there are pipes for supplying and discharging the coolant, which are respectively connected to the outlet and inlet of the circulation pump with the formation of the coolant circulation loop, while the coolant circulation loop is additionally equipped with a container for placing the test substance in it, a filter to remove solid particles , a mass exchanger, an oxygen activity sensor and heating elements placed on the equipment of the coolant circulation loop, and the circulation loop and gas - bubbler and adsorber, located in series after the refrigerator.

Кроме того, вся установка может быть помещена в герметичный защитный бокс, обеспечивающий радиационную защиту.In addition, the entire installation can be placed in an airtight protective box that provides radiation protection.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где показана установка для определения выхода летучих веществ из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду (принципиальные схемы). Установка содержит емкость 1 с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней - патрубки подвода и отвода газа, фильтр 2 для удержания аэрозолей, холодильник 3, барботер 4, адсорбер 5, расходомер 6, компрессор 7 для прокачки газа. Последовательно соединенное между собой оборудование по газу формирует петлю циркуляции газа. При эксплуатации лабораторной установки с целью приближения ее работы к реальным условиям, а именно обеспечения перемешивания теплоносителя в емкости 1, установка дополнительно снабжена циркуляционным насосом теплоносителя 8, а в нижней части емкости 1 выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителя. Вход и выход насоса теплоносителя 8 соединен с патрубком отвода и подвода теплоносителя емкости 1 соответственно, формируя, тем самым, петлю циркуляции теплоносителя. В реальных условиях эксплуатации реактора теплоноситель нуждается в поддержании определенной концентрации кислорода и чистоты. Для поддержания концентрации кислорода петля циркуляции теплоносителя снабжена последовательно расположенными датчиком активности кислорода 9 и массообменником 10. Датчик 9 нужен для получения информации о текущем содержании кислорода в теплоносителе, а массообменник 10 - для повышения содержания кислорода в случае его недостаточного уровня. Для очистки теплоносителя от твердых частиц в петлю циркуляции теплоносителя устанавливают фильтр 11.The invention is illustrated in FIG. 1, which shows the installation for determining the yield of volatile substances from a liquid metal coolant in a gaseous medium (schematic diagrams). The installation contains a container 1 with heating elements, in the lower part of which is a coolant, and in the upper part there are gas supply and exhaust pipes, a filter 2 for holding aerosols, a refrigerator 3, a bubbler 4, an adsorber 5, a flow meter 6, a compressor 7 for pumping gas. The gas equipment connected in series with each other forms a loop of gas circulation. When operating a laboratory installation in order to approximate its operation to real conditions, namely, to ensure mixing of the coolant in the tank 1, the installation is additionally equipped with a circulation pump for the coolant 8, and in the lower part of the tank 1 the pipes for supplying and discharging the coolant are made. The inlet and outlet of the coolant pump 8 is connected to the pipe outlet and supply of the coolant of the tank 1, respectively, forming, thereby, a loop of the coolant. In real operating conditions of the reactor, the coolant needs to maintain a certain oxygen concentration and purity. To maintain oxygen concentration, the coolant circulation loop is equipped with oxygen sensor 9 and mass exchanger 10 arranged in series. Sensor 9 is needed to obtain information about the current oxygen content in the coolant, and mass exchanger 10 is used to increase the oxygen content in case of insufficient level. To clean the coolant from solid particles, a filter 11 is installed in the loop of the coolant.

Все оборудование петли циркуляции теплоносителя снабжено нагревательными элементами для поддержания теплоносителя в жидком состоянии. Для контроля за расходом теплоносителя устанавливают расходомер 12. Изучаемые радионуклиды в концентрированном виде поступают в циркулирующий теплоноситель из контейнера 13. Для защиты обслуживающего персонала вся установка может быть помещена в герметичный защитный бокс 14.All equipment of the coolant circulation loop is equipped with heating elements to maintain the coolant in a liquid state. To control the flow rate of the coolant, a flow meter is installed 12. The studied radionuclides in concentrated form enter the circulating coolant from the container 13. To protect maintenance personnel, the entire installation can be placed in an airtight protective box 14.

Для выполнения экспериментальных работ установку с помощью нагревательных элементов прогревают, вакуумируют и заполняют газом и теплоносителем. Включают насос теплоносителя 8 и обеспечивают циркуляцию теплоносителя по контуру, и - следовательно, приповерхностное течение и перемешивание расплава. Различные скорости теплоносителя моделируют, регулируя расход теплоносителя насосом 8. Датчиком 9 замеряют концентрацию кислорода в теплоносителе и в случае его недостаточного уровня повышают, нагревая массообменник 10 электронагревательными элементами. Исследуемые радиоактивные вещества из контейнера 13 равномерно размешиваются в проходящем через него теплоносителе и, поступая с потоком теплоносителя к поверхности раздела фаз в емкости 1, частично испаряются и захватываются газом. Газ, содержащий радионуклиды, поступает на фильтр 2, где задерживаются частицы аэрозолей, затем в холодильник 3, на котором происходит осаждение конденсируемых веществ. Несконденсированные вещества уже в виде пара задерживаются в адсорбере 4 и барботере 5. Очищенный таким образом газ по трубам поступает снова в емкость 1, где снова захватывает испаряющиеся из расплава свинца радионуклиды. Таким образом, замыкается циркуляция газа. Для определения выхода летучих веществ необходимо знать уровень активности осевших радионуклидов на элементах 2, 3, 4, 5 газового контура, для чего их (элементы контура) подвергают исследованию радиохимическими методами (например, посредством гамма-спектрометра). Выход летучих веществ определяют как отношение уровня активности осевших радионуклидов к уровню активности загружаемых в контейнер 13 радионуклидов. Полученные данные используются для создания соответствующих характеристикам газовой среды локализующих и обеспечивающих радиационную безопасность систем.To perform experimental work, the installation with the help of heating elements is heated, vacuumized and filled with gas and coolant. Turn on the coolant pump 8 and provide circulation of the coolant along the circuit, and - therefore, the surface flow and mixing of the melt. Various speeds of the coolant are modeled by regulating the flow rate of the coolant by pump 8. The oxygen concentration in the coolant is measured with a sensor 9 and, if it is insufficient, is increased by heating the mass exchanger 10 with electric heating elements. The studied radioactive substances from the container 13 are uniformly mixed in the coolant passing through it and, entering with the coolant flow to the phase interface in the tank 1, are partially vaporized and trapped by gas. The gas containing radionuclides enters the filter 2, where aerosol particles are trapped, then into the refrigerator 3, on which the condensation of substances is deposited. Non-condensed substances, already in the form of steam, are trapped in the adsorber 4 and the bubbler 5. The thus purified gas flows through the pipes again into the tank 1, where it again captures the radionuclides evaporated from the lead melt. Thus, the gas circulation is closed. To determine the yield of volatile substances, it is necessary to know the level of activity of the deposited radionuclides on the elements 2, 3, 4, 5 of the gas circuit, for which they (circuit elements) are studied by radiochemical methods (for example, using a gamma-ray spectrometer). The yield of volatile substances is defined as the ratio of the activity level of settled radionuclides to the activity level of 13 radionuclides loaded into the container. The data obtained are used to create systems localizing and ensuring radiation safety that correspond to the characteristics of the gas medium.

Claims

1. Installation for determining the release of volatile substances from a liquid metal coolant into a gaseous medium, containing a loop of gas circulation, including a tank with heating elements, in the lower part of which is a coolant, and in the upper part there are gas supply and exhaust pipes, a refrigerator, a flow meter and a compressor for pumping gas, characterized in that the installation is additionally equipped with a circulation pump for the coolant, the tank in the lower part is equipped with nozzles for supplying and discharging the coolant, which are connected respectively with the outlet and inlet of the circulation pump with the formation of a coolant circulation loop, while the coolant loop is equipped with a container with the substance to be studied, an oxygen activity sensor, a mass exchanger, a filter and heating elements for the mentioned elements of the coolant loop, and the gas loop is equipped with a bubbler and adsorber, located after the refrigerator.

2. Installation under item 1, characterized in that it is placed in a sealed protective box.