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一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法

阅读：544发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于辐射防护技术领域，提供一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法，包括高温氧化装置、冷却装置、激光发生器、激光多次反射吸收装置、光谱仪以及废气处理装置；通过吸取安全壳内气体，在高温氧化装置中使其中以各种形式存在的碳转化为CO2，氧化后的气体经冷却装置处理后降至常温，除杂后，充入激光多次反射吸收装置，激光发生器向激光多次反射吸收装置的进出光小孔射入激光，光谱仪接收并分析射出的激光，若安全壳空气中存在C-11，则光谱仪可测量到出射光的11CO2红外吸收峰，吸收峰面积与空气中C-11浓度成正比，测量完毕后气体被排往废气处理装置中。本发明结构简单、操作方便，测量高效。，下面是一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置，其特征在于：包括高温氧化装置、冷却装置、激光发生器、激光多次反射吸收装置、光谱仪以及废气处理装置；
装置取样口位于安全壳内，在一回路管路附近吸取安全壳内气体，其余部分位于核电厂设备间内；
所述高温氧化装置包含燃烧室和流气室，燃烧室和流气室皆为圆柱形，流气室与进气口、出气口连接，具有良好的导热和耐热能力；燃烧室能将内部环境加热至800℃以上；取样气体在缓慢流经流气室的过程中被加热至700℃以上，气体中以各种形式存在的C-11被氧
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化为 CO2；
所述冷却装置包含水冷腔和流气室，水冷腔和流气室皆为圆柱形，流气室与进气口、出气口连接，具有良好的导热和耐热能力，流气室低点设有排液口；水冷腔中留有温度4℃的冷却水；取样气体在缓慢流经流气室的过程中被冷却至20℃以下，气体中的大部分水蒸气冷凝并被排出；
所述激光发生器，用于产生波数2150至2550 cm-1的连续谱红外激光；
所述激光多次反射吸收装置，内含一反射吸收腔，腔体内充满冷凝过滤装置处理后的气体，腔体侧面为反光涂层，两端为两块高反射率的Herriott池凹面镜，其中一块中轴处开有小孔，可供激光射入射出，两面凹面镜的焦点都在腔体的正中心，激光发生器产生的激光射入小孔后，在腔体内穿行反射偶数次后从入射孔射出，次数可由入射角度确定，激光多次反射吸收装置延长激光在目标气体中的光程，使吸收峰更加明显，以探测低浓度目标分子；
所述光谱仪，用于分析从激光多次反射吸收装置出射的激光，测量吸收峰；
废气处理装置，用于处理测量完毕后的气体。
2.根据权利要求1所述的用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置，其特征在于：该装置可将进气方向从安全壳取样口切换为高压气源，以对被放射性空气沾污的装置进行冲洗。
3.一种如权利要求1所述的用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置的工作方法，其特征在于：吸取安全壳内气体，在高温氧化装置中使其中以各种形式存在的碳转化为CO2，氧化后的气体经冷却装置处理后降至常温，除杂后，充入激光多次反射吸收装置，激光发生器向激光多次反射吸收装置的进出光小孔射入激光，光谱仪接收并分析射出的激光，若安全壳空气中存在C-11，则光谱仪可测量到出射光的11CO2红外吸收峰，吸收峰面积与空气中C-11浓度成正比，测量完毕后气体被排往废气处理装置中。

说明书全文

一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明属于辐射防护技术领域，具体的说是一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法。

背景技术

[0002] 目前对反应堆一回路泄漏率的监测主要有非放射性测量法和放射性测量法。

[0003] 非放射性测量法通过监测反应堆稳压器液面位发现一回路泄漏，测量下限目前为200 L/h，且无法区分流向反应堆二回路和安全壳中的泄漏。

[0004] 放射性测量法通过监测一回路中泄漏到二回路或安全壳中放射性核素的放射性，将辐射信号直接或间接转换为电信号，发现一回路泄漏。一回路中部分短寿命水活化产物在一回路中的活度浓度可由反应堆功率实时精确算出，通过测量这些放射性核素可定量一回路泄漏率。一回路发生向安全壳的泄漏后，其中放射性核素的挥发性受多种因素影响，易挥发性核素部分以气态形式扩散到空气中，难挥发性核素以气溶胶形式扩散到空气中。对气态放射性核素，目前测量方法为将气体过滤后置于测量容器中，使用辐射探测器对测量容器中的气体进行探测。对放射性气溶胶，测量方法为使用过滤装置将气溶胶截留，使用辐射探测器对滤纸上的放射性气溶胶进行测量。对气态物质的放射测量因气态物质难以分离富集，难以达到很低的测量下限。对气溶胶放射性物质的测量则因核素气溶胶化过程和气溶胶输运过程复杂，影响因素众多而存在诸多不确定因素。此外，放射性测量还受其他放射性核素的干扰，可能出现误报或无法分离出待测信号的情况。

[0005] 已有技术中，稳压器液面位监测法无法区分流向反应堆二回路和安全壳中的泄漏，测量阈值下限较高。

[0006] 放射性测量法主要缺点包括：a.容易受核设施内复杂的其他核素的干扰，容易出现误报或无法分离目标核素的情况。

[0007] b.一回路中大部分放射性核素为裂变产物和腐蚀活化产物，其在一回路中的浓度受包壳完整性、燃耗深度、冷却剂物理化学性质的影响，有积累效应，会出现难以预期的波动，不适合被用于做一回路泄漏定量测量。

[0008] c.对气态和气溶胶放射性物质的测量方法不同。一回路中放射性核素的挥发性和它们在泄漏发生时的气溶胶化因子受一回路冷却剂物理化学性质、泄漏位置、破口大小、破口附近包覆情况等诸多因素影响，常常难以确定泄漏后放射性物质在安全壳中的形态，不利于定量测量。

[0009] 红外光谱吸收法是利用物质对红外电磁辐射的选择性吸收特性来进行物质成分定量分析的一种方法。

[0010] 目前已有诸多使用红外光谱吸收法测量空气中CO2浓度的装置，已可测量到痕量级别CO2，但未见涉及一回路泄漏率监测领域的设备。

发明内容

[0011] 本发明旨在解决已有一回路泄漏监测中存在的上述问题，提供一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置及其工作方法，结构简单、操作方便，测量高效。

[0012] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置，包括高温氧化装置、冷却装置、激光发生器、激光多次反射吸收装置、光谱仪以及废气处理装置；装置取样口位于安全壳内，在一回路管路附近吸取安全壳内气体，其余部分位于核电厂设备间内；
所述高温氧化装置包含燃烧室和流气室，燃烧室和流气室皆为圆柱形，流气室与进气口、出气口连接，具有良好的导热和耐热能力；燃烧室结构原理与一般工业锅炉类似，能将内部环境加热至800℃以上；取样气体在缓慢流经流气室的过程中被加热至700℃以上，气
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体中以各种形式存在的C-11被氧化为 CO2；
所述冷却装置包含水冷腔和流气室，水冷腔和流气室皆为圆柱形，流气室与进气口、出气口连接，具有良好的导热和耐热能力，流气室低点设有排液口；水冷腔中留有温度4℃的冷却水；取样气体在缓慢流经流气室的过程中被冷却至20℃以下，气体中的大部分水蒸气冷凝并被排出；
所述激光发生器，用于产生波数2150至2550 cm-1的连续谱红外激光；
所述激光多次反射吸收装置，内含一反射吸收腔，腔体内充满冷凝过滤装置处理后的气体，腔体侧面为反光涂层，两端为两块高反射率的Herriott池凹面镜，其中一块中轴处开有小孔，可供激光射入射出，两面凹面镜的焦点都在腔体的正中心，激光发生器产生的激光射入小孔后，在腔体内穿行反射偶数次后从入射孔射出，次数可由入射角度确定，激光多次反射吸收装置延长激光在目标气体中的光程，使吸收峰更加明显，以探测低浓度目标分子；
所述光谱仪，用于分析从激光多次反射吸收装置出射的激光，测量吸收峰；
废气处理装置，用于处理测量完毕后的气体。

[0013] 本发明还提供一种上述的用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置的工作方法，通过吸取安全壳内气体，在高温氧化装置中使其中以各种形式存在的碳转化为CO2，氧化后的气体经冷却装置处理后降至常温，除杂后，充入激光多次反射吸收装置，激光发生器向激光多次反射吸收装置的进出光小孔射入激光，光谱仪接收并分析射出的激光，若安全壳空气中存在C-11，则光谱仪可测量到出射光的11CO2红外吸收峰，吸收峰面积与空气中C-11浓度成正比，测量完毕后气体被排往废气处理装置中。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：1. 通过监测泄漏到安全壳内的一回路核素的浓度，定量由一回路泄漏至安全壳内的一回路泄漏率，解决稳压器液面位监测法无法区分流向反应堆二回路和安全壳中的泄漏的问题。

[0015] 2. 选取目标核素为C-11，C-11在反应堆一回路中由11B(p,n) 11C反应产生，寿命20.36 min，其在一回路中的活度浓度可由一回路中硼浓度和反应堆近期功率精确算出，无
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难以预期的波动，在压水堆一回路中的典型活度浓度值为10 Bq•cm 。可解决放射性测量法目标核素有积累效应，会出现难以预期的波动，不适合被用于做一回路泄漏定量测量的问题。

[0016] 3. 通过高温氧化装置将泄漏至安全壳中以各种形式存在的C-11氧化为11CO2气体分子，解决一回路放射性物质泄漏后物质形态难以确定，不利于定量泄漏率的问题。

[0017] 4.利用同位素质量差异导致的11CO2红外光谱吸收峰波数小于12CO2的特点，通过红外光谱吸收法测量气体中11CO2的浓度，解决了放射性测量法容易受核设施内复杂的其他核素的干扰，容易出现误报或无法分离目标核素的情况的问题。附图说明

[0018] 图1为本发明装置的示意图。

[0019] 图2为本发明中高温氧化装置的示意图。

[0020] 图3为本发明中冷却装置的示意图。

[0021] 其中：1.进气口，2.高温氧化装置，3.冷却装置，4.激光多次反射吸收装置，5.废气处理装置，6.激光发生器，7.光谱仪，8.激光，9.燃烧室，10.流气室，11.进气口，12.出气口，13.水冷腔，14.流气室，15.进气口，16.出气口，17.排液口。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的其中一个实施例，而不是全部的实施例。

[0023] 如图1所示，本实施例提供一种用于测量水冷反应堆一回路泄漏率的装置，包括高温氧化装置2、冷却装置3、激光发生器6、激光多次反射吸收装置4、光谱仪7以及废气处理装置5，装置取样口位于安全壳内，在一回路管路附近吸取安全壳内气体，装置其余部分位于设备房间内。

[0024] 所述高温氧化装置2，如图2所示，包括燃烧室9和流气室10，燃烧室9和流气室10皆为圆柱形，流气室10与进气口11、出气口12连接，具有良好的导热和耐热能力；燃烧室9结构原理与一般工业锅炉类似，能将内部环境加热至800℃以上；取样气体在缓慢流经流气室10的过程中被加热至700℃以上，气体中以各种形式存在的C-11被氧化为11CO2。

[0025] 所述冷却装置3，如图3所示，包括水冷腔13和流气室14，水冷腔13和流气室14皆为圆柱形，流气室14与进气口15、出气口16连接，具有良好的导热和耐热能力，流气室14低点设有排液口17；水冷腔13中留有温度4℃的冷却水；取样气体在缓慢流经流气室14的过程中被冷却至20℃以下，气体中的大部分水蒸气冷凝并被排出。

[0026] 所述激光发生器6，用于产生波数2150至2550 cm-1的连续谱红外激光。

[0027] 所述激光多次反射吸收装置4，内含一反射吸收腔，腔体内充满冷凝过滤装置处理后的气体，腔体侧面为反光涂层，两端为两块高反射率的Herriott池凹面镜，其中一块中轴处开有小孔，可供激光射入射出，两面凹面镜的焦点都在腔体的正中心，激光发生器产生的激光射入小孔后，在腔体内穿行反射偶数次后从入射孔射出，次数可由入射角度确定，激光多次反射吸收装置延长激光在目标气体中的光程，使吸收峰更加明显，以探测低浓度目标分子。

[0028] 所述光谱仪7，用于分析从激光多次反射吸收装置出射的激光，测量吸收峰。

[0029] 所述废气处理装置5，用于处理测量完毕后的气体。

[0030] 本实施例装置的工作方法如下：高温氧化装置使空气中以各种形式存在的碳转化为CO2。氧化后的气体经冷却装置处理后充入激光多次反射吸收装置。激光发生器向激光多次反射吸收装置的进出光小孔射入激光。光谱仪接收并分析射出的激光，判定其中的11CO2活度浓度。测量完毕后气体被排往废气处理装置中简单处理后排放回安全壳内。

[0031] 该装置可将进气方向从安全壳取样口切换为高压气源，以对被放射性空气沾污的装置进行冲洗。匹配的软件系统根据反应堆状态实时计算一回路中C-11活度浓度，根据测得的11CO2活度浓度计算一回路是否发生泄漏。根据测得的11CO2活度浓度的变化率计算一回路泄漏率。

[0032] 反应堆一回路压力边界是指带放射性的，高温高压的主冷却剂密闭循环回路，它由反应堆压力容器、蒸汽发生器（一次侧）、稳压器、主循环泵等设备以及它们之间的管系组成。一回路压力边界完整性破坏将导致一回路冷却剂异常泄漏，直接影响反应堆正常运行，并可能对核设施附近工作人员的健康造成危害。因此，对一回路压力边界泄漏的监测是确保反应堆正常运行与安全，保障核动力装置工作人员健康和人身安全的重要措施。目前，越来越多的反应堆要求增设基于辐射测量的一回路泄漏监测装置。基于辐射测量的的一回路泄漏监测装置的市场价约1,000,000元/台。

[0033] 一套图1所示设备的硬件成本估算约为目前的一回路泄漏辐射监测设备的1.5倍，但测量精度前者远高于后者。当前计算表明，11CO2和12CO2的红外吸收峰波数差为0.2 cm-1，波长差0.5 nm，光谱仪可以识别。红外光谱吸收法能够在通常空气成分的12CO2本底中测到5 Bq/m3的11CO2，大大优于目前辐射测量法对β放射性核素的探测下限（约3.7×103Bq/ m3）。对一般民用反应堆，5 Bq/m3的11CO2探测能力代表在一小时内能发现1 L/h的一回路向安全壳内的泄漏，大大优于任何已有的一回路探测手段（约200 L/h）。测量精度的极大提升可以使对一回路监测的准确性，保障核设施和工作人员的安全。

[0034] 本实施例中所有功能组件都是市场常见的，市场上可方便购买。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

[0035] 以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

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