一种钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置和方法与流程

本发明涉及放射性核素试验设备，具体涉及一种钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置和方法。

背景技术：

1、第四代先进快堆具有较高的固有安全性，同时在再生燃料循环、放射性废物后处理、反应堆系统简化、缩短换料周期等方面都有其独特的优势，因而受到了国际上的重点关注。但由于第四代先进快堆自身的特点，在中子活化条件下将产生易挥的发放射性核素po-210。

2、po-210是一种极毒放射性核素，极易形成po-210放射性气溶胶，其半衰期为138.4天，属极毒组核素，若进入生物体内，会破坏人体组织器官细胞结构、损伤dna导致细胞死亡。当反应堆发生放射性核素释放事故包括双层容器破口事故、一回路覆盖气体系统泄漏事故和热交换器二次侧出口管道破口等事故时，泄露出的po-210气溶胶会对工作人员和环境可能产生严重影响。因此，需要开发po-210气溶胶的捕集材料，以捕集逃逸的气溶胶。而对po-210气溶胶捕集材料的特性进行研究时，需要建立钋捕集材料气固反应动力学模型。

技术实现思路

1、本发明提供了一种钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置和方法，适用于实验室规模的钋捕集材料气溶胶气固反应动力学模拟，满足po-210气溶胶捕集材料的特性研究需求。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，包括：供气组件，所述供气组件能够输出设定流量和相应压力的试验气体；第一可控温加热炉，所述第一可控温加热炉的内腔与所述供气组件的输出端相连，所述第一可控温加热炉适配有给料机构和第一辐射计，所述给料机构用于将装填有钋的蒸发坩埚送入所述第一可控温加热炉的内腔；第二可控温加热炉，所述第二可控温加热炉的内腔与所述第一可控温加热炉的内腔连通，所述第二可控温加热炉的内腔设置有捕集材料填充床，且所述第二可控温加热炉的出气端适配有第二辐射计和第二压力计。

4、本发明提供的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，包括供气组件、第一可控温加热炉和第二可控温加热炉，第一可控温加热炉的内腔与供气组件的输出端相连，且适配有给料机构和第一辐射计，第二可控温加热炉与第一可控温加热炉的内腔连通、设置有捕集材料填充床，且第二可控温加热炉出气端适配有第二辐射计和第二压力计。

5、在使用时，将第一可控温加热炉的内腔温度升高至钋蒸发模拟所需温度，然后通过给料机构将钋金属粉末放置在第一可控温加热炉内并反应一定时间，在金属加热过程中，通过第一辐射计对带有钋捕集材料的气体进行实时监测，同时通过供气组件能够输出对应流量的试验气体，并监测输出的试验气体的气体压力，以通过试验气体将钋金属蒸汽吹扫至第二可控温加热炉，由捕集材料填充床的钋捕集材料与钋金属蒸汽发生气固反应，再通过第二辐射计对捕集后气体中辐射当量进行实时检测，由此，将捕集后气体辐射当量作为钋捕集材料出口浓度，进行气固反应动力学实验验证。

6、其中，第一可控温加热炉和第二可控温加热炉的炉内温度能够控制，能够控制气固反应的温度，从而能够进行捕集材料在不同温度下的吸附捕集实验。同时，基于试验气体的气体压力与第二压力计的数值，能够计算反应前后气体流速的变化。

7、因此，本发明提供的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，能够用于实验室规模的钋捕集材料气溶胶气固反应动力学模拟，满足po-210气溶胶捕集材料的特性研究需求。

8、在本技术一可选的实施方式中，所述供气组件包括：储气瓶，所述储气瓶用于储存试验气体；试验气流量控制器，所述试验气流控制器串接在所述储气瓶的出气端；第一压力计，所述第一压力计设置在所述试验气流量控制器的输出端，以确保供气组件能够输出设定流量的试验气体，并且实时检测试验气体的输入压力。

9、在本技术一可选的实施方式中，还包括尾气吸收瓶组件，所述吸收瓶组件盛装可溶解性酸性溶液，所述尾气吸收瓶组件串接在所述第二可控温加热炉的出气端，以通过尾气吸收瓶组件内的可溶解性酸性溶液吸收反应过程的捕集尾气。

10、在本技术一可选的实施方式中，还包括真空泵，所述真空泵串接在所述吸气瓶组件的出气端，以通过真空泵对管路中参与气体进行强制吸收，减少气体在管道中的沉积扩散。

11、在本技术一可选的实施方式中，所述真空泵的出气端适配有第三辐射计，以实时检测真空泵排出气体的辐射当量，以便于确保尾气被完全捕集。

12、第二方面，本发明提供了一种钋捕集材料气固反应动力学模型验证方法，基于前述的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，包括以下步骤：

13、将所述第一可控温加热炉中的温度升高至钋蒸发模拟所需温度；

14、待所述第一可控温加热炉中的温度升至所需模拟温度后，将带有钋金属粉末的蒸发坩埚送入所述第一可控温加热炉的内腔，并实时监测所述第一可控温加热炉内气体的辐射当量；

15、同时，将设定流量的试验气体输入所述第一可控温加热炉的内圈，以将钋金属蒸汽吹扫至安装在所述捕集材料填充床的钋捕集材料；

16、将经捕集材料填充床捕集后的气体辐射当量作为钋捕集材料出口浓度，进行气固反应动力学实验验证。

17、本发明提供的钋捕集材料气固反应动力学模型验证方法，基于前述的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，在第一可控温加热炉中的温度升高至钋蒸发模拟所需温度后，将带有钋金属粉末的蒸发坩埚送入第一可控温加热炉的内腔，并实时监测所述第一可控温加热炉内气体的辐射当量，同时将设定流量的试验气体输入第一可控温加热炉的内圈，以将钋金属蒸汽吹扫至安装在捕集材料填充床的钋捕集材料，并将经捕集材料填充床捕集后的气体辐射当量作为钋捕集材料出口浓度，进行气固反应动力学实验验证，满足po-210气溶胶捕集材料的特性研究需求。

18、在本技术一可选的实施方式中，还包括步骤：将经捕集材料填充床捕集后的气体引入盛装有可溶解性酸性溶液的尾气吸收瓶组件，以通过尾气吸收瓶组件内的可溶解性酸性溶液吸收反应过程的捕集尾气。

19、在本技术一可选的实施方式中，还包括步骤：根据试验数据计算捕集材料的穿透吸附量和饱和吸附量；所述穿透吸附量的计算模型为：所述饱和吸附量的计算模型为：式中：qb为穿透吸附量、qe为饱和吸附量，单位mg/g；f为气体体积流量，单位ml/min；tb为穿透时间，单位min；c0为进口重元素蒸汽浓度、ci为t分钟后出口重元素蒸汽浓度，单位mg/m3；w为吸附剂装填量，单位g；qe为饱和吸附量，单位mg/g；te耗竭时间，单位ml/min。

20、在本技术一可选的实施方式中，还包括步骤：对试验数据进行拟合以建立吸附动力学模型，并通过吸附动力学经验模型对同类材料吸附动力学模型进行验证。

21、具体而言，所述吸附动力学经验模型为式中：k’为速率参数，单位min-1；τ为50％穿透时间，单位min；c为出口重元素浓度，单位mg/m3；c0为进口重元素浓度，单位mg/m3；t为时间，单位min。

22、与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

23、1、本发明提供的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，包括供气组件、第一可控温加热炉和第二可控温加热炉，第一可控温加热炉的内腔与供气组件的输出端相连，且适配有给料机构和第一辐射计，第二可控温加热炉与第一可控温加热炉的内腔连通、设置有捕集材料填充床，且第二可控温加热炉出气端适配有第二辐射计和第二压力计，可通过第一可控温加热炉提供钋蒸发模拟所需温度、通过第一辐射计对带有钋捕集材料的气体进行实时监测、通过供气组件能够输出对应流量的试验气体、并监测输出的试验气体的气体压力和通过试验气体将钋金属蒸汽吹扫至第二可控温加热炉，由捕集材料填充床的钋捕集材料与钋金属蒸汽发生气固反应，再通过第二辐射计对捕集后气体中辐射当量进行实时检测，由此，能够将捕集后气体辐射当量作为钋捕集材料出口浓度，进行气固反应动力学实验验证，满足po-210气溶胶捕集材料的特性研究需求。

24、2、本发明提供的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，第一可控温加热炉和第二可控温加热炉的炉内温度能够控制，能够控制气固反应的温度，从而能够进行捕集材料在不同温度下的吸附捕集实验；同时，基于试验气体的气体压力与第二压力计的数值，能够计算反应前后气体流速的变化；因此，能够用于实验室规模的钋捕集材料气溶胶气固反应动力学模拟。

25、3、本发明提供了的钋捕集材料气固反应动力学模型验证方法，基于前述的钋捕集材料气固反应动力学模型验证装置，在第一可控温加热炉中的温度升高至钋蒸发模拟所需温度后，将带有钋金属粉末的蒸发坩埚送入第一可控温加热炉的内腔，并实时监测所述第一可控温加热炉内气体的辐射当量，同时将设定流量的试验气体输入第一可控温加热炉的内圈，以将钋金属蒸汽吹扫至安装在捕集材料填充床的钋捕集材料，并将经捕集材料填充床捕集后的气体辐射当量作为钋捕集材料出口浓度，进行气固反应动力学实验验证，满足po-210气溶胶捕集材料的特性研究需求。