CN115932132A - 碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置及方法，包括定容罐、密封罐、六通阀、定量环、真空泵、气相色谱仪、纯化氦气源、第一氦气罐；定容罐的进口端连接气态γ辐解产物源、出口端连接密封罐，密封罐的出口端连接六通阀的气样进口，定量环的两端连接六通阀的两个阀端口，真空泵连接六通阀的气样出口，气相色谱仪连接六通阀的接色谱柱端，六通阀的载气进口连接纯化氦气源，第一氦气罐连接在六通阀与真空泵之间；定容罐与气态γ辐解产物源之间、定容罐与密封罐之间、密封罐与六通阀之间以及六通阀与真空泵之间分别设有阀门V1、V2、V3、V4。本发明成功从γ辐照装置中全自动分离气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂。

Description

碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置及方法

技术领域

本发明涉及水样中气体的在线分离测量技术领域，具体涉及碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置及方法。

背景技术

压水堆氨型冷却剂受到辐射后会分解产生一系列氧化性产物和还原性辐解产物，如H₂、N₂、O₂和H₂O₂等，产生的部分氧化剂和还原剂有很高的反应性，高浓度的H₂，O₂和H₂O₂等辐解产物会对浸润材料有腐蚀作用，为有效保证反应堆压力边界的完整性，准确确定冷却剂中气态γ辐解产物的含量显得尤为重要。

对于水样中氢、氧、氮气等气体含量的测定，目前较为成熟的方法是顶空法，即将待测样品置入一密闭的容器中，通过加热升温使得气体组分从样品基体中挥发出来，在气液(或气固)两相中达到平衡，直接抽取顶部气体进行色谱分析，从而检验样品中气体组分的成分和含量。但对于压水堆中的冷却剂，其在受到辐照后会产生一定浓度的双氧水等易挥发性物质，采用水浴加热方式前处理辐照后冷却剂的方式显然不合适。对于含有大量双氧水的碱性冷却剂中H₂、N₂及O₂的快速测定方法，目前并没有非常便捷、准确的方法。

鉴于此，申请人拟建立一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂的在线分离测量装置和使用方法，以解决碱性冷却剂中气态γ辐解产物难以准确测量的难题，实现碱性冷却剂中气态γ辐解产物中H₂、N₂及O₂的准确、便捷测量。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提供了一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置以及测量方法，可以实现碱性冷却剂中气态γ辐解产物中H₂、N₂及O₂的准确、便捷测量。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明的第一个目的在于提供一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，包括定容罐、密封罐、六通阀、定量环、真空泵、气相色谱仪、纯化氦气源、第一氦气罐；

所述定容罐的进口端连接气态γ辐解产物源、出口端连接所述密封罐，所述密封罐的出口端连接所述六通阀的气样进口，所述定量环的两端连接所述六通阀的两个阀端口，所述真空泵连接所述六通阀的气样出口，所述气相色谱仪连接所述六通阀的接色谱柱端，所述六通阀的载气进口连接纯化氦气源，所述第一氦气罐连接在六通阀与真空泵之间；

所述定容罐与气态γ辐解产物源之间、定容罐与密封罐之间、密封罐与六通阀之间以及六通阀与真空泵之间分别设有阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4。

可选地，所述密封罐与阀门V3之间设有压力表。

可选地，所述阀门V4为三通阀，所述阀门V4的一端口连接所述第一氦气罐。

可选地，六通阀的载气进口连接氦气纯化装置，第二氦气罐的出口连接所述氦气纯化装置。

可选地，所述定容罐的体积为15-25mL，密封罐的体积为18-32mL，所述压力表的最低量程低于50Pa，精度为1Pa，所述定量环的体积为0.5-1.5mL，所述真空泵为干泵，功率不小于750W。

可选地，所述阀门均为电磁阀。

本发明的第二个目的在于提供一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量方法，包括气态γ辐解产物的在线分离和气态γ辐解产物含量测量；

所述气态γ辐解产物的在线分离过程包括：

1)打开阀门V1、V2、V3、V4，保持流路连通；

2)打开第一氦气罐气阀，将整体流路中的气氛完全置换；

3)关闭阀门V1，保持阀门V2、V3、V4开启，打开真空泵，将流路抽气至一定负压为P1；

4)关闭阀门V2、V3、V4，打开阀门V1，对气态γ辐解产物进行定容；

5)打开阀门V2，持续一定时间后关闭阀门V2,保持其他阀门关闭，使气态γ辐解产物进入到密封罐；

6)打开阀门V3，保持其他阀门关闭，记录压力表显示的流路气压为P2；

所述气态γ辐解产物含量测量过程包括：

将六通阀打开，定量环中的待测气体被纯化氦气载带入气相色谱仪中，通过保护色谱柱和分析色谱柱，由脉冲氦离子化检测器(PDD)检测，得到待测气体中H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁、c₂和c₃；

根据测得的待测气体中H₂、N₂及O₂的浓度，计算得到取样中气态γ辐解产物中H₂、N₂及O₂的浓度。

可选地，所述步骤3)中，真空泵将流路抽气压力小于100Pa；

步骤4)中，定容的时间为1-3mins；

步骤5)中，打开阀门V2时间为5-10mins；

步骤6)中，打开阀门V3时间为5-10mins。

可选地，气相色谱仪的测定条件为：柱温为80-150℃，载气为高纯氦气，柱流量为10-30ml/min，脉冲氦离子化检测器温度(PDD)为100-150℃；

高纯氦气的纯度大于99.9999％，高纯氦气在进入气相色谱仪之前使用氦气纯化装置进行纯化。

可选地，所述计算过程为：

根据气体状态方程PV＝nRT，获得阀门V2至阀门V4间的流路体积V₂＝P₁V₁/P₂(1)；

根据检测得到的H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁、c₂和c₃，得到取样中气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁P₁V₁/P₂、c₂P₁V₁/P₂及c₃P₁V₁/P₂；

式(1)中，V₁为定容罐体积，P₁为定容罐内压力，P₂为流路压力。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例提供的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置及测量方法，利用低压状态下气态γ辐解产物H2、N2及O2在水中溶解度降低原理，将整个流路中抽真空成为负压，不需要加热就可以实现H2、N2及O2在测量装置中的自动分离，可以避免采用传统的加热方法导致双氧水等易挥发性物质对检测结果的干扰，解决碱性冷却剂中气态γ辐解产物难以准确测量的难题。确保检测将的准确性以及便捷性，装置结构简单、易于操作和控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置的结构示意图。

图中各部件以及标号为：

1-定容罐、2-密封罐、3-压力表、4-六通阀、5-氦气纯化装置、6-第二氦气罐、7-第一氦气罐、8-真空泵、9-气相色谱仪、10-定量环、V1-V4为阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“内”、“外”等仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明保护范围的限制。

实施例1：

如图1所示，一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，包括定容罐1、密封罐2、六通阀4、定量环、真空泵8、气相色谱仪9、纯化氦气源、第一氦气罐7；

所述定容罐1的进口端连接气态γ辐解产物源，用于对进入其内的气态γ辐解产物源进行定容，定容罐1的体积优选为15-25mL，更优选为20mL；定容罐1的出口端连接所述密封罐2，混合气体H₂、N₂及O₂在密封罐2内的低压状态下从水中挥发出来，然后混合气体H₂、N₂及O₂进入到色谱分析仪中进行分析测量，密封罐2的体积优选为18-32mL，更优选为20mL。所述密封罐2的出口端连接所述六通阀4的气样进口，所述定量环的两端连接所述六通阀4的两个阀端口，定量环的体积优选为0.5-1.5mL，更优选为1.0mL；所述真空泵8连接所述六通阀4的气样出口，真空泵8为干泵，功率不小于750W，更优选为750W；所述气相色谱仪9连接所述六通阀4的接色谱柱端，所述六通阀4的载气进口连接纯化氦气源，高纯氦气纯度为99.999％。在六通阀4与真空泵8之间的管路上连接有第一氦气罐7，用于对流路进行氦气置换。

所述定容罐1与气态γ辐解产物源之间设有阀门V1，定容罐1与密封罐2之间设有阀门V2，密封罐2与六通阀4之间设有阀门V3，六通阀4与真空泵8之间分别设有阀门V4。

本发明实施例中，利用低压状态下气态γ辐解产物H2、N2及O2在水中溶解度降低原理，通过将整个流路中抽真空成为负压，为P1，从而不需要加热就可以实现H2、N2及O2在测量装置中的自动分离，就可以避免采用传统的加热方法导致双氧水等易挥发性物质对检测结果的干扰，解决碱性冷却剂中气态γ辐解产物难以准确测量的难题。

进一步地，在所述密封罐2与阀门V3之间设有压力表3，压力表3检测流经的气体的压力，代表了流路气压，为P2，为后续的气体浓度计算提供基础。压力表3为高精度电子压力表3，最低量程低于50Pa，精度为1Pa。

进一步地，所述阀门V4为三通阀，所述阀门V4的一端口连接第一氦气罐7，在抽真空过程中提供氦气，确保流路中的氦气环境。

进一步地，六通阀4的载气进口连接氦气纯化装置5，第二氦气罐6的出口连接所述氦气纯化装置5，用于提供高纯氦气，作为载气与待测气体一起进入到气相色谱仪9中，确保测量过程中的氦气纯度，保证测量浓度的准确性。

进一步地，所有阀门均为电磁阀，实现测量的全自动控制。

采用以上测量装置测量碱性冷却剂中气态γ辐解产物浓度的测量方法为：

a)气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂的在线分离，其操作步骤如下：

1)打开阀门V1-V4，保持定容罐1、密封罐2、压力表3、定量环流路的连通；

2)打开第一氦气罐7的气阀，保持气阀压力为0.4-0.8MPa，利用高纯氦气将流路中的气氛完全置换，置换时间为10mins；

3)关闭阀门V1，保持阀门V2-V4开启，打开真空泵8，将流路抽气至压力小于100Pa(此时压力为P₁)，关闭真空泵8；

4)关闭阀门V2-V4，打开阀门V1，来自γ辐照装置的冷却剂进入定容罐1，5min后关闭阀门V1，保持其他阀门关闭；

5)打开阀门V2，持续5mins后关闭阀门V2,保持其他阀门关闭；

6)打开阀门V3，保持其他阀门关闭，维持此状态5min，记录流路气压(此时压力为P₂)；

7)进一步地，所述高纯氦气罐气阀压力保持为0.4-0.8MPa，置换时间为5-10mins；

根据气体状态方程PV＝nRT，获得V2至V4阀门间的流路体积V2，其具体计算过程为：

i)定容罐1体积V₁、定容罐1内压力P₁及此时环境温度为T₁；

ii)阀门V2至阀门V4之间的流路体积为V₂、流路压力为P₂及此时环境温度为T₁；

iii)定容罐1体积V₁、定容罐1内压力P₁、流路压力为P₂、此时环境温度为T₁及T₂已知，可计算得到流路体积V₂＝P₁V₁/P₂。

b)气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂含量的测量

1)将六通阀4打开，定量环中的待测气体被纯化过的氦气载带入气相色谱中，通过保护色谱柱和分析色谱柱，由脉冲氦离子化检测器(PDD)检测，完成检测，检测得到H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁、c₂和c₃；

2)由此可得到取样中气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁P₁V₁/P₂、c₂P₁V₁/P₂及c₃P₁V₁/P₂。

进一步地，所述的气相色谱测定条件为：柱温为80-150℃，柱流量为10-30ml/min，脉冲氦离子化检测器温度(PDD)为100-150℃。高纯氦气的纯度大于99.9999％，高纯氦气在进入气相色谱仪9之前使用氦气纯化装置5进行纯化。

传统样品中溶解态气体的分离通过加热挥发的方式实现，而压水堆氨型冷却剂中气态γ辐解产物中除了目标气体H₂、N₂及O₂，还有相同数量级浓度为H₂O₂，使用传统的加热挥发的方式会导致H₂O₂分解，生成大量的O₂。本发明公开的装置利用低压状态下气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂在水中溶解度降低原理，成功实现了从γ辐照装置中全自动分离气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂并提供了气态γ辐解产物的在线测量方法，有效解决了碱性冷却剂中气态γ辐解产物难以准确测量的难题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，其特征在于，包括定容罐、密封罐、六通阀、定量环、真空泵、气相色谱仪、纯化氦气源、第一氦气罐；

所述定容罐的进口端连接气态γ辐解产物源、出口端连接所述密封罐，所述密封罐的出口端连接所述六通阀的气样进口，所述定量环的两端连接所述六通阀的两个阀端口，所述真空泵连接所述六通阀的气样出口，所述气相色谱仪连接所述六通阀的接色谱柱端，所述六通阀的载气进口连接纯化氦气源，所述第一氦气罐连接在六通阀与真空泵之间；

所述定容罐与气态γ辐解产物源之间、定容罐与密封罐之间、密封罐与六通阀之间以及六通阀与真空泵之间分别设有阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4。

2.根据权利要求1所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，其特征在于，所述密封罐与阀门V3之间设有压力表。

3.根据权利要求2所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，其特征在于，所述阀门V4为三通阀，所述阀门V4的一端口连接所述第一氦气罐。

4.根据权利要求3所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，其特征在于，六通阀的载气进口连接氦气纯化装置，第二氦气罐的出口连接所述氦气纯化装置。

5.根据权利要求4所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，其特征在于，所述定容罐的体积为15-25mL，密封罐的体积为18-32mL，所述压力表的最低量程低于50Pa，精度为1Pa，所述定量环的体积为0.5-1.5mL，所述真空泵为干泵，功率不小于750W。

6.根据权利要求4所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量装置，其特征在于，所述阀门均为电磁阀。

7.一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量方法，其特征在于，包括气态γ辐解产物的在线分离和气态γ辐解产物含量测量；

所述气态γ辐解产物的在线分离过程包括：

1)打开阀门V1、V2、V3、V4，保持流路连通；

2)打开第一氦气罐气阀，将整体流路中的气氛完全置换；

3)关闭阀门V1，保持阀门V2、V3、V4开启，打开真空泵，将流路抽气至一定负压为P1；

4)关闭阀门V2、V3、V4，打开阀门V1，对气态γ辐解产物进行定容；

5)打开阀门V2，持续一定时间后关闭阀门V2,保持其他阀门关闭，使气态γ辐解产物进入到密封罐；

6)打开阀门V3，保持其他阀门关闭，记录压力表显示的流路气压为P2；

所述气态γ辐解产物含量测量过程包括：

将六通阀打开，定量环中的待测气体被纯化氦气载带入气相色谱仪中，通过保护色谱柱和分析色谱柱，由脉冲氦离子化检测器(PDD)检测，得到待测气体中H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁、c₂和c₃；

根据测得的待测气体中H₂、N₂及O₂的浓度，计算得到取样中气态γ辐解产物中H₂、N₂及O₂的浓度。

8.根据权利要求7所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，真空泵将流路抽气压力小于100Pa；

步骤4)中，定容的时间为1-3mins；

步骤5)中，打开阀门V2时间为5-10mins；

步骤6)中，打开阀门V3时间为5-10mins。

9.根据权利要求8所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量方法，其特征在于，气相色谱仪的测定条件为：柱温为80-150℃，载气为高纯氦气，柱流量为10-30ml/min，脉冲氦离子化检测器温度(PDD)为100-150℃；

高纯氦气的纯度大于99.9999％，高纯氦气在进入气相色谱仪之前使用氦气纯化装置进行纯化。

10.根据权利要求9所述的一种碱性冷却剂中气态γ辐解产物的在线分离测量方法，其特征在于，所述计算过程为：

根据气体状态方程PV＝nRT，获得阀门V2至阀门V4间的流路体积V₂＝P₁V₁/P₂(1)；

根据检测得到的H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁、c₂和c₃，得到取样中气态γ辐解产物H₂、N₂及O₂的浓度分别为c₁P₁V₁/P₂、c₂P₁V₁/P₂及c₃P₁V₁/P₂；

式(1)中，V₁为定容罐体积，P₁为定容罐内压力，P₂为流路压力。

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