CN114797391A - 一种氢气分离器、调控方法及研究堆冷却剂净化*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气分离器、调控方法及研究堆冷却剂净化***，涉及核反应堆安全技术领域，其技术方案要点是：包括密封容器和钯复合膜；钯复合膜密封安装在密封容器内，以将密封容器内部划分为上空腔和下空腔；下空腔设有进液口、排液口；上空腔的侧壁设有第一排气口、第二排气口；下空腔的侧壁设有加压泵；加压泵对下空腔加压，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔与下空腔之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜。本发明可适用于高通量反应堆，能够降低冷却剂中的氢气含量，并避免载带放射性气体，消除了因大体积氢气可能造成的燃烧和***效应，确保反应堆安全的同时降低了对工作人员的辐射危害。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆安全技术领域，更具体地说，它涉及一种氢气分离器、调控方法及研究堆冷却剂净化***。
背景技术
核反应堆运行中，堆芯内的冷却剂在射线作用下可能发生分解，生成氢气和氧气。堆芯的射线越强，辐射分解越为明显，冷却剂***过量的氢气和氧气可能产生***。
目前，高通量堆运行中，为了避免冷却剂中氢气的***风险，采用连续除气的方法，去除冷却剂中的气体，然后通过烟囱直接排放。然而，在除气过程中，不仅去除了氢气，冷却剂中的放射性气体也会得到去除，并通过烟囱排放，从而增加了研究堆向环境排放的放射性物质，增加了周围公众及环境的辐射剂量。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的氢气分离器、调控方法及研究堆冷却剂净化***是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种氢气分离器、调控方法及研究堆冷却剂净化***，可适用于高通量反应堆，能够降低冷却剂中的氢气含量，并避免载带放射性气体，消除了因大体积氢气可能造成的燃烧和***效应，同时避免了不必要的放射性污染，确保反应堆安全的同时降低了对工作人员的辐射危害。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种氢气分离器，包括密封容器和钯复合膜；
所述钯复合膜密封安装在密封容器内，以将密封容器内部划分为上空腔和下空腔；
所述下空腔的侧壁设有供冷却剂输入的进液口以及供冷却剂输出的排液口；
所述上空腔的侧壁设有供分离后的氢气排出收集的第一排气口，下空腔的侧壁设有供分离衰变后的放射性气体排出收集的第二排气口；
所述下空腔的侧壁设有加压泵；
其中，加压泵对下空腔加压，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔与下空腔之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜。
进一步的，所述钯复合膜呈多孔结构。
进一步的，所述多孔结构的孔径为纳米级。
进一步的，所述钯复合膜的制备过程具体为：
将分析纯的Zn(NO3)2颗粒加入含有分散剂的修饰液中，超声混合均匀；
以多孔陶瓷基底膜为载体，使用真空抽滤法制备基底膜；
将基底膜放置于60℃钯镀液中，采用化学镀方法进行钯膜制备，烘干后400℃下高温煅烧，制成纳米多孔结构的钯复合膜。
第二方面，提供了一种氢气分离器的调控方法，该氢气分离器为第一方面中任意一项所述的一种氢气分离器，包括以下步骤：
打开进液口，同时关闭排液口、第一排气口、第二排气口，通过进液口向下空腔内注入冷却剂；
冷却剂注入完成后关闭进液口，同时启动加压泵，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔与下空腔之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜；
打开第一排气口，将上空腔中分离的氢气排出收集待检；以及，打开第二排气口，将下空腔中氢气分离后剩余的放射性混合气体排出收集净化；
待氢气、放射性混合气体均排出后，打开排液口，以将下空腔中的冷却剂排出，重复操作以实现冷却剂循环处理。
进一步的，所述下空腔中注入冷却剂后的液面与钯复合膜的下表面之间间隔分布，以形成气体释放空间。
进一步的，所述下空腔中排出冷却剂时保留部分冷却剂，且保留的冷却剂为下空腔中总冷却剂的三分之一至三分之二。
进一步的，所述加压泵在上空腔与下空腔之间的压差达到设定阈值时停止，设定阈值与钯复合膜的氢气透过效率和氢气透过量呈正相关。
进一步的，所述加压泵停止后保持分离时间不低于设定时间，设定时间由上空腔与下空腔之间压差达到稳态的时间、上空腔内放射性混合气体的衰变时间决定。
第三方面，提供了一种研究堆冷却剂净化***，包括反应堆一回路以及如第一方面中任意一项所述的一种氢气分离器；
所述进液口、排液口均与反应堆一回路连通，以使氢气分离器并联接入反应堆一回路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种氢气分离器，可适用于高通量反应堆，能够降低冷却剂中的氢气含量，并避免载带放射性气体，消除了因大体积氢气可能造成的燃烧和***效应，同时避免了不必要的放射性污染，确保反应堆安全的同时降低了对工作人员的辐射危害；
2、本发明中多孔结构的钯复合膜在保持氢气选择透过性能的同时，实现在压力变化过程中钯膜的自由伸缩，进一步提升膜的稳定性；
3、本发明中的氢气分离器在对反应堆一回路中的冷却剂进行处理时，通过在下空腔中保留部分冷却剂，利于溶解态的氢气逐渐释放，提升了氢气分离器的处理效率，使得氢气分离器的循环处理周期较短，降低了反应堆一回路中氢气含量峰值点，进一步提升了反应堆的安全性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、密封容器；102、钯复合膜；103、下空腔；104、上空腔；105、进液口；106、排液口；107、加压泵；108、第一排气口；109、第二排气口。
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。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种氢气分离器，如图1所示，包括密封容器101和钯复合膜102；所述钯复合膜102密封安装在密封容器101内，以将密封容器101内部划分为上空腔104和下空腔103；所述下空腔103的侧壁设有供冷却剂输入的进液口105以及供冷却剂输出的排液口106；所述上空腔104的侧壁设有供分离后的氢气排出收集的第一排气口108，下空腔103的侧壁设有供分离衰变后的放射性气体排出收集的第二排气口109；所述下空腔103的侧壁设有加压泵107；其中，加压泵107对下空腔103加压，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔104与下空腔103之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜102。
需要说明的是，密封容器101的形状既可以是矩形体、圆柱体，也可以是其他不规则体。此外，为了保证钯复合膜102使用的稳定性，钯复合膜102呈水平状态安装在密封容器101内，且为了提高氢气分离器单次处理的冷却剂总量，下空腔103的空间体积大于上空腔104的空间体积。
钯特殊的原子结构，使其具有选择性透氢能力。钯原子的电子分布的4d层缺少2个电子，使其表面具有较强的吸氢能力，氢分子会解离成氢原子。钯能夺取氢原子的电子使氢变成氢质子，氢质子会沿着梯度方向扩散透过钯膜。
本发明对研究堆冷却剂中的氢气分离净化，并减少载带的放射性气体释放到环境，从而降低研究堆对公众及环境的辐射危害。
在本实施例中，钯复合膜102呈纳米级多孔结构，多孔结构的钯复合膜102在保持氢气选择透过性能的同时，实现在压力变化过程中钯膜的自由伸缩，进一步提升膜的稳定性；
为了适用于本发明中在含有放射性混合气体的总气体中更好的特异性透过氢气，钯复合膜102采用以下方法制备得到：将分析纯的Zn(NO3)2颗粒加入含有分散剂的修饰液中，超声混合均匀；以多孔陶瓷基底膜为载体，使用真空抽滤法制备基底膜；将基底膜放置于60℃钯镀液中，采用化学镀方法进行钯膜制备，烘干后400℃下高温煅烧，制成纳米多孔结构的钯复合膜102。
上述氢气分离器的调控方法具体为：打开进液口105，同时关闭排液口106、第一排气口108、第二排气口109，通过进液口105向下空腔103内注入冷却剂；冷却剂注入完成后关闭进液口105，同时启动加压泵107，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔104与下空腔103之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜102；打开第一排气口108，将上空腔104中分离的氢气排出收集待检；以及，打开第二排气口109，将下空腔103中氢气分离后剩余的放射性混合气体排出收集净化；待氢气、放射性混合气体均排出后，打开排液口106，以将下空腔103中的冷却剂排出，重复操作以实现冷却剂循环处理。
下空腔103中注入冷却剂后的液面与钯复合膜102的下表面之间间隔分布，以形成气体释放空间，且加压泵107、第二排气口109均布置在气体释放空间的对应位置处。
下空腔103中排出冷却剂时保留部分冷却剂，且保留的冷却剂为下空腔103中总冷却剂的三分之一至三分之二。例如，整个密封容器101的内部体积为10m3，下空腔103与上空腔104可分别占有6m3、4m3，下空腔103中保留的冷却剂可为2m3，下空腔103每次注入的冷却剂可为2m3。
本发明在对反应堆一回路中的冷却剂进行处理时，通过在下空腔103中保留部分冷却剂，利于溶解态的氢气逐渐释放，提升了氢气分离器的处理效率，使得氢气分离器的循环处理周期较短，降低了反应堆一回路中氢气含量峰值点，进一步提升了反应堆的安全性。
加压泵107在上空腔104与下空腔103之间的压差达到设定阈值时停止，设定阈值与钯复合膜102的氢气透过效率和氢气透过量呈正相关。例如，以上述的体积分布为例，设定阈值为50kPa。
加压泵107停止后保持分离时间不低于设定时间，设定时间由上空腔104与下空腔103之间压差达到稳态的时间、上空腔104内放射性混合气体的衰变时间决定。在本实施例中，设定时间采用48h。
需要说明的是，将本发明中的氢气分离器应用于研究堆时，进液口105、排液口106均与反应堆一回路连通，以使氢气分离器并联接入反应堆一回路。
工作原理：本发明可适用于高通量反应堆，能够降低冷却剂中的氢气含量，并避免载带放射性气体，消除了因大体积氢气可能造成的燃烧和***效应，同时避免了不必要的放射性污染，确保反应堆安全的同时降低了对工作人员的辐射危害。
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)
1.一种氢气分离器，其特征是，包括密封容器(101)和钯复合膜(102)；
所述钯复合膜(102)密封安装在密封容器(101)内，以将密封容器(101)内部划分为上空腔(104)和下空腔(103)；
所述下空腔(103)的侧壁设有供冷却剂输入的进液口(105)以及供冷却剂输出的排液口(106)；
所述上空腔(104)的侧壁设有供分离后的氢气排出收集的第一排气口(108)，下空腔(103)的侧壁设有供分离衰变后的放射性气体排出收集的第二排气口(109)；
所述下空腔(103)的侧壁设有加压泵(107)；
其中，加压泵(107)对下空腔(103)加压，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔(104)与下空腔(103)之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜(102)。
2.根据权利要求1所述的一种氢气分离器，其特征是，所述钯复合膜(102)呈多孔结构。
3.根据权利要求2所述的一种氢气分离器，其特征是，所述多孔结构的孔径为纳米级。
4.根据权利要求2所述的一种氢气分离器，其特征是，所述钯复合膜(102)的制备过程具体为：
将分析纯的Zn(NO3)2颗粒加入含有分散剂的修饰液中，超声混合均匀；
以多孔陶瓷基底膜为载体，使用真空抽滤法制备基底膜；
将基底膜放置于60℃钯镀液中，采用化学镀方法进行钯膜制备，烘干后400℃下高温煅烧，制成纳米多孔结构的钯复合膜(102)。
5.一种氢气分离器的调控方法，其特征是，该氢气分离器为如权利要求1-4任意一项所述的一种氢气分离器，包括以下步骤：
打开进液口(105)，同时关闭排液口(106)、第一排气口(108)、第二排气口(109)，通过进液口(105)向下空腔(103)内注入冷却剂；
冷却剂注入完成后关闭进液口(105)，同时启动加压泵(107)，促使冷却剂中包含溶解态氢气的载带气体逐渐释放，并在上空腔(104)与下空腔(103)之间的压差作用下使得氢气扩散透过钯复合膜(102)；
打开第一排气口(108)，将上空腔(104)中分离的氢气排出收集待检；以及，打开第二排气口(109)，将下空腔(103)中氢气分离后剩余的放射性混合气体排出收集净化；
待氢气、放射性混合气体均排出后，打开排液口(106)，以将下空腔(103)中的冷却剂排出，重复操作以实现冷却剂循环处理。
6.根据权利要求5所述的一种氢气分离器的调控方法，其特征是，所述下空腔(103)中注入冷却剂后的液面与钯复合膜(102)的下表面之间间隔分布，以形成气体释放空间。
7.根据权利要求5所述的一种氢气分离器的调控方法，其特征是，所述下空腔(103)中排出冷却剂时保留部分冷却剂，且保留的冷却剂为下空腔(103)中总冷却剂的三分之一至三分之二。
8.根据权利要求5所述的一种氢气分离器的调控方法，其特征是，所述加压泵(107)在上空腔(104)与下空腔(103)之间的压差达到设定阈值时停止，设定阈值与钯复合膜(102)的氢气透过效率和氢气透过量呈正相关。
9.根据权利要求8所述的一种氢气分离器的调控方法，其特征是，所述加压泵(107)停止后保持分离时间不低于设定时间，设定时间由上空腔(104)与下空腔(103)之间压差达到稳态的时间、上空腔(104)内放射性混合气体的衰变时间决定。
10.一种研究堆冷却剂净化***，其特征是，包括反应堆一回路以及如权利要求1-4任意一项所述的一种氢气分离器；
所述进液口(105)、排液口(106)均与反应堆一回路连通，以使氢气分离器并联接入反应堆一回路。
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2022
- 2022-06-01 CN CN202210616391.4A patent/CN114797391A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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