一种氚和碳-14取样系统的制作方法

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氦气中的氚和碳-14的取样系统。

背景技术：

超高温气冷堆是国际公认的六种最为先进的第四代核能系统中的一种，具有较高的电热转换效率和高的堆芯出口温度，可以应用于发电、制氢、海水淡化等。其原型堆为高温气冷堆，具有固有安全特性，其一回路冷却剂采用的是氦气，而在氦气中含有氚和碳-14等裂变和活化产物。10mw高温气冷堆(htr-10)是世界上目前唯一正在运行的球床式高温气冷堆，球床模块式高温气冷堆核电站项目htr-pm(hightemperaturegas-cooledreactorpebble-bedmodule)是在htr-10的基础上进行设计和建造的。在htr-10上对一回路冷却剂氦气中的裂变和活化产物进行研究，确定其中典型核素的种类、活度浓度和传输行为，进而确定裂变和活化产物行为的规律和特点，对高温气冷堆辐射安全论证和分析具有重要意义。

htr-10和htr-pm均采用直径为6cm的球形燃料元件，内部含有多个直径约为900μm的triso包覆燃料颗粒。triso包覆燃料颗粒中心为直径约为500μm的uo2燃料核芯，依次向外为疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层。理论上，反应堆所有的放射性物质均来自于堆芯，包括裂变产物和活化产物。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既产自于裂变反应，也有活化来源。由于它们对公众剂量的贡献较大且非常容易进入生物圈，因此对氚和碳-14的测量分析受到公众及核能监管机构的密切关注。

目前，对于氚和碳-14的测量分析，在一般压水堆、沸水堆等核设施上主要是针对空气气氛中的取样测量，而高温气冷堆一回路为氦气，其中含有多种化学形态的气态氚和碳-14。以往的取样装置，往往只针对氚或碳-14的取样测量，并未考虑两者同时在取样液中对后续液闪仪测量的干扰。而且，对于待测气体中同时含有的氚和碳-14多种化学形态也并未给予特殊的分类取样。尤其是在没有氧气等氧化剂的情况下，无法实现对待测气体中ht、t2、ch3t和¹⁴co、¹⁴ch4等化学形态的氚和碳-14的取样收集，导致后续实验室所测量的氚和碳-14活度浓度并不能真实反映待测气体中所有化学形态中的氚和碳-14的活度浓度。

现有技术中，“空气中不同形态氚取样方法”(《辐射防护通讯》第32卷第4期，11-16，2012年8月，李华)公开了空气中氚的存在形态主要是氚化水蒸气(hto)、氚气(ht)和氚化甲烷(ch3t)。空气中的氚含量很低,测定通常采用累积取样和液闪谱仪测量相结合的方法，该文献综述了空气中不同形态氚的取样方法的研究进展,对不同取样方法进行了比较分析,总结了不同取样方法存在的问题和不足,为空气中氚的取样方法研究提供参考。但该方法并没有考虑针对空气中氚和碳-14的同时分别取样收集，也没有针对高温气冷堆中一回路冷却剂为氦气及缺少氧化气体情况下的多种化学形态氚和碳-14的取样测量。

“核电厂外围辐射环境监测中空气中氚的取样方法初探”(《核电子学与探测技术》第32卷第11期，2002年11月。陈前远，龚传德，胡丹，曹钟港，黄仁杰，倪士英，姚建新)公开了空气中氚的取样有鼓泡法、冷凝法、冷冻法、干燥法等方法，分别用这些方法作为工作原理的仪器进行取样实验，结合相关采样理论分析，建议如下:冷冻法可应用于我国北方冬季寒冷地区核电厂的外围空气中氚(hto)的取样，冷凝法则可应用于南方的核电厂，不建议将鼓泡法采样器用于核电厂外围辐射环境监测。但上述方法也没有针对空气中氚和碳-14同时分别取样收集，及针对高温气冷堆一回路冷却剂为氦气且缺少氧化气体情况下多种化学形态氚和碳-14的取样测量。

法国sdec公司的marc7000tritiumsampler是目前核电站上普遍采用的氚取样器，采用4级串联鼓泡的方法。但此种取样器，无法对没有氧气环境下以t2、ht、ch3t化学形态存在的氚进行取样收集，只能应用与空气中氚的取样收集。而且不能同时收集空气中的碳-14。该公司的hague7000carbon-14sampler是目前核电站上普遍采用的碳-14取样器，采用4级串联鼓泡的方法。但此种取样器，无法对没有氧气环境下以¹⁴co、¹⁴ch4等化学形态存在的碳-14进行取样收集，只能应用与空气中碳-14的取样收集。而且无法避免待测气体中含有的氚混入取样液，干扰后续样品中碳-14的测量分析。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种氚和碳-14取样系统，该系统能够对高温气冷堆一回路及空气中的氚和/或碳-14按照化学形态进行分类收集取样，以克服现有技术中不能对高温气冷堆一回路氦气(或其他待测气体)中的氚和碳-14按照化学形态分别取样收集的问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种氚和碳-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，所述中间取样部分包括多级取样瓶和加热及催化氧化装置，所述的多级取样瓶设置为4-8级，分别装有氚和碳-14取样液(氚取样液为蒸馏水，碳-14取样液为naoh溶液)，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。

进一步，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的氚的取样收集，采用蒸馏水为取样液，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等被氧化为hto、t2o的氚的取样收集，采用蒸馏水为取样液，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、与抽气泵连接的3个截止阀。

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氚和碳-14取样系统，可以对高温气冷堆一回路氦气及空气中的氚和/或碳-14按照化学形态进行分类收集取样，获得所测量对象中氚和碳-14多种化学形态(hto、t2o和t2、ht、ch3t等；¹⁴co2和¹⁴co、¹⁴ch4等)的样品，也可以只针对某些特定化学形态的氚和碳-14进行取样收集。

附图说明

图1是本发明实施例中所述一种氚和碳-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。

本发明所述的一种氚和碳-14取样系统考虑了高温气冷堆一回路氦气中氚和碳-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，设计多个模块以及催化氧化装置，可以实现对待测气体中氚和碳-14按照某些特定化学形态的取样收集，为后续精确测定氚和碳-14的总活度浓度以及某些特定化学形态的比例关系提供了基础。本系统不仅适用于高温气冷堆一回路氦气、空气，也适用于其他气态待测气体中氚和碳-14的分类取样。

如图1所示，一种氚和碳-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、截止阀6、流量计7；所述中间取样部分包括多级取样瓶和加热及催化氧化装置，所述的多级取样瓶包括：取样液为蒸馏水的第一级取样瓶25，取样液为naoh溶液的第二级取样瓶26，取样液为蒸馏水的第三级取样瓶27，取样液为naoh溶液的第四级取样瓶28；所述的多级取样瓶25－28依次串联，每一级取样瓶的入口与出口处均设置有截止阀13、14,15、16,21、22,23、24(常开)；与所述的多级取样瓶25－28并联设置有一管道，其上设置有5个截止阀8、9、10、11、12(常闭)，每两个截止阀之间有一管道与串联的多级取样瓶连通；所述的加热及催化氧化装置18设置在第二级取样瓶26与第三级取样瓶27之间并与其通过管道连接，入口与出口处均设置有截止阀17、20，出口处还设置有冷却器19，其中的加热装置可以是加热炉；所述出口测量部分依次设置有截止阀38、单向阀37、抽气泵34、与抽气泵34连接的3个截止阀33、35、36，其中截止阀33、35常开，截止阀36常闭，还设置有流量计29、、截止阀30、压力计31、温度计32、。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。

本发明提供的氚和碳-14取样系统能够对高温气冷堆一回路氦气(空气或其他待测气体)中的氚和碳-14进行有效的多级取样收集；把氚和碳-14分离取样收集；按照化学形态，把待测气体中的hto、t2o收集，把待测气体中的t2、ht、ch3t等进行催化氧化后收集；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。所述的冷却回路包括通过管道依次连接的冷却液注入装置39、循环泵40、热交换冷却装置41、温度计42、压力计43、截止阀44。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的氚的取样收集，采用蒸馏水为取样液，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等被氧化为hto、t2o的氚的取样收集，采用蒸馏水为取样液，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装置，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℃。催化氧化剂采用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，出口部分含有抽气泵和正常支路，可以实现待测气体在微正压或者常压下进行取样收集的功能。

采用本实施例中的取样系统，可以保证对于待测气体中(高温气冷堆一回路氦气(空气或其他气体))氚和碳-14的收集效率，分别可以达到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，实现的主要功能包括：

(1)对高温气冷堆一回路氦气(或空气中，只要是气态)中包括以hto、t2o和ht、t2、ch3t等化学形态存在的氚和以¹⁴co2和¹⁴co、¹⁴ch4等化学形态存在的碳-14进行有效的分类取样收集；

(2)可以对氚和碳-14进行分离收集，后续有利于提高实验室液闪仪测量结果的准确性，避免核素相互干扰对测量的影响；

(3)结合后续实验室液闪仪测量，可以获得待测气体中(高温气冷堆一回路氦气或空气中)以ht、t2、ch3t等化学形态存在的氚和以hto、t2o化学形态存在的氚的比例；

(4)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。