СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОТБОРА ТРИТИЯ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОДЯНОГО ПАРА Российский патент 2012 года по МПК G01N1/22 G01T1/167 

Изобретение касается измерения концентрации трития в атмосферном водяном паре.

В частности, изобретение относится к автоматическому способу отбора трития из атмосферного водяного пара.

Известно, что отборы содержащих тритий водяных паров могут осуществляться улавливанием атмосферного водяного пара с помощью различных средств, таких как барботер, высушивающие средства или холодные ловушки.

Отборы посредством барботера заключается в том, что воздух заставляют пробулькивать в бибероны, содержащие воду, свободную от трития, такую как вода Abatilles. Водяной пар, содержащийся в атмосфере, удерживается в биберонах. Вода из биберонов далее отбирается для измерения содержания в ней трития.

Недостатком такой системы отбора с помощью барботеров является значительное время отбора, порядка нескольких дней, в связи с малой скоростью отбора и разбавление трития в биберонах водой Abatilles.

Другой способ отбора состоит в пропускании воздуха через подложки, содержащие высушивающие средства, такие как молекулярное сито или силикагели. Водяной пар удерживается в этих подложках, имеющих большую специфическую поверхность, которая придает им свойство сильной адсорбции малых полярных молекул. Для повторного использования воды для количественного анализа трития необходимо осуществить цикл испарения и конденсации воды путем нагрева подложки.

Однако такой способ имеет недостатки.

Вследствие слабой способности удержания воды, эти системы могут быть использованы только при малой скорости всасывания, которая приводит к периодам отбора порядка одной недели. Более того, рекуперация содержащей тритий воды для измерения требует использования громоздкой установки и сложных и тонких манипуляций. Наконец, эти подложки являются подложками разового использования для исключения любого загрязнения одним образцом другого.

В системах отбора с помощью холодных ловушек пары содержащей тритий воды улавливают холодной поверхностью для осуществления ее конденсации. Существуют устройства статических отборов, в которых воздух неподвижен, и устройства динамических отборов, где воздух является подвижным.

В процессе статических отборов холодная ловушка образована пластиной из нержавеющей стали, находящейся в непосредственном контакте с атмосферой и непрерывно охлаждаемой сухим льдом или жидким азотом. Иней, образующийся на поверхности, собирается вручную с помощью скребка. После нагрева инея концентрация трития в собранной воде измеряется известным методом.

Недостатком таких устройств является то, что они не автоматизируемы из-за режима непрерывного охлаждения поверхности. Более того, следует учитывать, что невозможно прервать охлаждение пластины, так как может произойти загрязнение одного образца другим.

В динамических системах, в противовес статическим системам, такая холодная ловушка, как система, основанная на эффекте Пельтье, или с жидким азотом, не размещается непосредственно в атмосфере, а помещается в камеру. Насос нагнетает анализируемый воздух в камеру, где пар непрерывно конденсируется. В случае системы с эффектом Пельтье, которая может использоваться при температуре, превышающей 0°С, вода собирается непрерывно, и в пробе может быть измерена концентрация трития. В системе с жидким азотом, после остановки насоса и нагрева холодной ловушки ее извлечением вручную, в конденсированной воде осуществляется измерение концентрации трития.

Такие устройства динамических отборов с помощью холодных ловушек также имеют недостатки.

Вследствие использования насоса количество отобранной воды ограничено производительностью насоса и требует значительно большего времени отбора, чем в статической системе. Система с источником холода на эффекте Пельтье может быть использована только при температуре воздуха выше 0°С, так как в ней вода собирается непрерывно и, кроме того, имеется возможность изотопного фракционирования образца. Система с жидким азотом, как источником холода, не может быть автоматизирована, так как камера отбора постоянно погружена в резервуар с жидким азотом. Извлечение образца требует его удаления из камеры вручную.

Для исключения недостатков, связанных с описанными выше известными средствами, предложен высокочувствительный автоматический способ, который может использоваться при температурах воздуха ниже 0°С и не вызывающий загрязнения одного образца другим.

Объектом изобретения является способ автоматического отбора трития из атмосферного водяного пара с помощью холодной ловушки, включающий первый этап конденсации атмосферного водяного пара путем охлаждения на холодной ловушке и второй этап рекуперации льда, образовавшегося на предыдущем этапе, в жидкую конденсированную форму, отличающийся тем, что воздух содержат в корпусе для отбора и обеспечивают его контакт с холодной ловушкой, находящейся при температуре, меньшей 0°С, причем жидкий конденсат получают путем нагрева холодной ловушки.

Нагрев обеспечивают путем прекращения охлаждения, производимого холодной ловушкой.

Прекращение охлаждения, производимого холодной ловушкой, дополняется нагреванием, если внешняя температура ниже 0°С.

При этом устройство для отбора представляет собой корпус передвижного или перемещаемого типа, причем холодная ловушка образована змеевиком, внутри которого циркулирует, с одной стороны, охлаждающая среда при работе холодной ловушки, и, с другой стороны, воздух при нагреве холодной ловушки.

Предпочтительно, чтобы холодная ловушка была образована змеевиком, связанным с резервуаром с охлаждающей средой.

Холодная ловушка может быть также спарена с криогенератором.

Предпочтительно, чтобы холодная ловушка была образована змеевиком, внутри которого циркулирует жидкий азот, нагнетаемый из резервуара.

Предпочтительно, чтобы требуемый нагрев холодной ловушки обеспечивался вдуванием горячего воздуха внутрь змеевика после отсоединения от резервуара с жидким азотом.

Предпочтительно также, чтобы жидкий конденсат под действием силы тяжести собирался в водосборник, размещенный под холодной ловушкой.

Объектом изобретения является также устройство для осуществления способа по изобретению, отличающееся тем, что оно содержит корпус для отбора воздуха, в котором размещена холодная ловушка со своими средствами функционирования, и водосборник, расположенный под холодной ловушкой и предназначенный для сбора жидкого конденсата.

Предпочтительно, чтобы это устройство содержало корпус для отбора воздуха, включающий змеевик, связанный насосом с внешним резервуаром с жидким азотом, и водосборник, размещенный под змеевиком.

Способ по изобретению имеет следующие преимущества:

высокую чувствительность с учетом того, что время отбора является малым, так как оно не ограничено производительностью насоса, и отсутствует разжижение образца;

возможность автоматизации с учетом того, что отсутствует ручная операция извлечения образца;

возможность использования при температурах, меньших 0°С;

отсутствие загрязнения одного образца другим с учетом того, что змеевик просушивается испарением от одного образца к другому;

отсутствие изотопного фракционирования образца.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на фиг.1.

Фиг.1 схематично изображает вид установки для отбора воздуха из окружающей среды для осуществления способа по изобретению.

Лучший вариант осуществления изобретения

На фиг.1 представлен корпус (1) для отбора типа «метеобудки», выполненный из нержавеющей стали, и резервуар 2 с жидким азотом, размещенный на тележке 3.

Корпус 1 для отбора содержит в верхней части змеевик 4 из медной трубки, содержащий 14 не касающихся один другого витков спирали, и в нижней части насос 5, а также водонепроницаемое электрическое табло 6. Под змеевиком размещен водосборник 7, служащий для приема воды, конденсирующейся на змеевике.

Вся установка, которая имеет длину 1,55 м, ширину 0,65 м и высоту 1,75 м при весе 192 кг, тем не менее, легко перемещается благодаря тележке.

Для осуществления отбора включают насос 5 для испарения жидкого азота, содержащегося в резервуаре 2. Испаряясь, жидкий азот постепенно охлаждает змеевик 4, и вода конденсируется на спиралях змеевика.

Через 15 минут останавливают насос 5. Лед, образовавшийся на спиралях, нагревается и в жидкой фазе под действием силы тяжести собирается в водосборнике 7. Если температура является очень низкой для обеспечения плавления льда, то по змеевику 4 после его отсоединения от резервуара 2 можно пропустить горячий воздух.

Собирают воду для анализа известным методом жидкой сцинтилляции для измерения концентрации трития. Собранные количества изменяются в зависимости от метеорологических условий и составляют, в среднем, порядка 30 см³.

В процессе отбора атмосферное давление, температура и влажность воздуха измеряются зондом PTU с частотой в один герц. Эти метеорологические измерения позволяют преобразовать результаты измерения трития из единиц Bq.L-1 собранной воды в единицы Bq.m-3 воздуха.

Сравнение способа по изобретению со способом барботажа

Преимущества способа по изобретению выявляются путем сравнения со способом барботажа, который в настоящее время является единственным на рынке, и устройство по этому способу продается на рынке под названием HAG 7000.

1. Определение чувствительности

Способ по изобретению позволяет осуществлять отборы минимального объема воды в 10 см³ за 15 минут, средний отбор составляет 30 см³. Для получения объема воды в 10 см³, что соответствует 0,67 м³ воздуха, в способе барботажа следует осуществлять отбор в течение 45 часов, при этом средний расход барботера составляет 15 л/час.

Способ по изобретению позволяет, таким образом, осуществить выигрыш во времени в 180 раз.

Более того, следует принять во внимание фактор разжижения.

Способ барботажа требует использования нескольких биберонов объемом в 180 см³ воды Abatilles. Учитывая, что большая часть отбора осуществляется в первом бибероне, разжижение отбора в течение 45 часов составляет 18 раз по сравнению со способом по изобретению, в котором собирают объем в 10 см³.

Таким образом, учитывая время отбора и коэффициент разжижения, способ по изобретению позволяет снизить границу определения для измерения концентрации трития, по меньшей мере, с коэффициентом 3000.

2. Определение изотопного различия

Были проведены два эксперимента для определения преимуществ способа по изобретению, касающихся проблемы изотопного различия трития по отношению к водороду, так как изотопное различие может внести ошибку в репрезентативность измерений.

а) Результаты, полученные способом по изобретению с содержащим тритий водяным паром известной концентрации

В замкнутом сосуде получают водяной пар с известной концентрацией трития, затем конденсируют этот водяной пар на змеевике и собирают его для измерения трития методом жидкой сцинтилляции. Затем осуществляют сравнение между концентрацией трития водяного пара с известной концентрацией и концентрацией трития в собранной воде.

Маркированная тритием вода была помещена в водосборник под змеевиком установки, изображенной на фиг.1, для ее естественного испарения, а затем ее аликвотная часть была отобрана для измерения.

Второй водосборник был размещен над первым для того, чтобы для измерения содержания трития в конце эксперимента собрать воду, которая соответствует сконденсированным на змеевике водяным парам. Комплекс, образованный змеевиком и двумя водосборниками, был изолирован от окружающей среды с коэффициентом объема в 35 L по винилу.

После сборки установки был включен ее насос для осуществления цикла испарения маркированной тритием воды, затем конденсации на змеевике. Через 15 минут насос был остановлен и конденсаты собраны во втором водосборнике. Концентрация трития в воде была измерена методом жидкой сцинтилляции.

В процессе эксперимента были измерены давление, температура и влажность воздуха для учета количества водяного пара, первоначально содержащегося в виниловом объеме. Эксперимент был повторен 5 раз.

Средние концентрации в конденсированной воде и маркированной тритием воде составляют соответственно 252,8±15,1 Bq.L^-1 и 247,0±14,8 Bq.L^-1. Между этими двумя значениями имеется очень хорошее согласование. Более того, в 5 экспериментах концентрации трития в конденсированной воде изменяются мало, так как они составляют от 222,7±13,3 Bq.L^-1 до 262,0±15,7 Bq.L^-1. Концентрации трития в маркированной тритием воде составляют от 244,0±Bq.L^-1 до 257,0±Bq.L^-1. Среднее отношение между концентрациями по тритию в воде, маркированной тритием, и в конденсированной воде составляет 1,02.

Анализ этих результатов показывает, что способ по изобретению позволяет выделять тритий из общего количества водяных паров, содержащихся в атмосферном воздухе.

Изотопное различие между тритием и водородом, несмотря на то, что оно существует физически, не оказывает влияния на отборы, осуществляемые способом по изобретению.

b) Результаты, полученные с использованием способа по изобретению и способа барботажа

Были проведены сравнения преимуществ способа по изобретению с преимуществами способа барботажа с барботером типа HAG 7000, обычно используемого в атомной промышленности. Для этого было проведено исследование концентрации трития в атмосфере в течение 4-х периодов по одной неделе в районе здания, содержащего бассейны для хранения ядерных отходов.

В течение периода в одну неделю барботер непрерывно отбирал водяной пар со скоростью 20 L.h^-1. Собранный таким образом пар был проанализирован методом жидкой сцинтилляции.

В течение того же периода были осуществлены случайным образом ежедневные точечные отборы в течение 15 минут в соответствии со способом по изобретению. Каждый отбор был проанализирован методом жидкой сцинтилляции.

Более того, в течение этого периода были измерены давление, температура и влажность воздуха.

Значения, полученные в течение 4-х периодов работы по одной неделе каждый, мало изменялись в течение каждой недели и от одной недели к другой.

Средние значения концентрации трития с первой по четвертую недели составляют соответственно 0,50±0,03 Bq.m³, 0,46±0,03 Bq.m³, 0,38±0,02 Bq.m³ и 0,42±0,03 Bq.m³.

В течение тех же недель результаты, полученные барботажем с первой по четвертую недели, составляют соответственно 0,49±0,03 Bq.m³, 0,54±0,03 Bq.m³, 0,41±0,02 Bq.m³ и 0,34±0,02 Bq.m³.

Среднее отношение между результатами, полученными способом по изобретению, и барботером составляет 1,004.

Таким образом, имеет место очень хорошее согласование между результатами, полученными способом по изобретению, и результатами, полученными барботером типа HAG 7000.

Способ по изобретению может быть использован для исследования концентрации трития, содержащегося в атмосферном водяном паре в окружающей среде, а также в ядерных установках, таких как строения, содержащие бассейны для хранения ядерного топлива.

Изобретение относится к автоматическому способу отбора трития из атмосферного водяного пара с помощью холодной ловушки и устройству для его осуществления. Способ включает первый этап конденсации атмосферного водяного пара путем охлаждения части холодной ловушки и второй этап, на котором производят рекуперацию льда, образовавшегося на предыдущем этапе, в жидкий конденсат. При этом воздух содержится в корпусе отбора, предназначенном для удаления воды из отобранного воздуха и в котором размещена охлаждаемая часть холодной ловушки. На первом этапе холодную ловушку, находящуюся при температуре, меньшей 0°С, приводят в действие в течение заданного времени с возможностью образования льда на охлаждаемой части холодной ловушки. На втором этапе производят нагрев ранее охлажденной части холодной ловушки путем прекращения охлаждения холодной ловушкой и сбор жидкого конденсата, образовавшегося вследствие таяния льда. Устройство содержит корпус перемещаемого типа для отбора воздуха, включающий змеевик, связанный насосом с внешним резервуаром с жидким азотом, и водосборник, расположенный под змеевиком. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении чувствительности устройства, уменьшении времени обора пробы и отсутствии загрязнения одного образца другим. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ отбора трития в атмосферном водяном паре с помощью холодной ловушки, содержащий первый этап конденсации атмосферного водяного пара путем охлаждения на части (4) холодной ловушки (2, 4) и второй этап, на котором производят рекуперацию льда, образовавшегося на предыдущем этапе, в жидкий конденсат, отличающийся тем, что воздух содержится в корпусе (1) отбора, предназначенном для удаления воды из отобранного воздуха, и в котором размещена упомянутая часть (4) холодной ловушки (2, 4), причем на первом этапе холодную ловушку (2, 4), находящуюся при температуре, меньшей 0°С, приводят в действие в течение заданного времени с возможностью образования льда на упомянутой части (4) холодной ловушки, а на втором этапе производят нагрев упомянутой части (4) холодной ловушки путем прекращения охлаждения холодной ловушкой (2, 4) и сбор жидкого конденсата, образовавшегося вследствие таяния льда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство для отбора представляет собой корпус (1) передвижного типа, причем холодная ловушка (2, 4) образована змеевиком (4), внутри которого циркулирует, с одной стороны, охлаждающая среда при работе холодной ловушки и, с другой стороны, воздух при нагреве холодной ловушки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что охлаждающую среду нагнетают из резервуара (2).

4. Способ по одному из пп.2 или 3, отличающийся тем, что при нагреве холодной ловушки (2, 4) воздух, циркулирующий внутри змеевика, является горячим.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что охлаждающей средой (2) является жидкий азот.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нагрев холодной ловушки обеспечивается нагнетанием горячего воздуха внутрь змеевика (4) после отсоединения резервуара с жидким азотом.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что жидкий конденсат собирается под действием силы тяжести в водосборник (7), размещенный под змеевиком (4).

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что холодная ловушка спарена с криогенератором.

9. Устройство для осуществления способа по предыдущим пунктам, отличающееся тем, что оно содержит корпус (1) перемещаемого типа для отбора воздуха, включающий змеевик (4), связанный насосом (5) с внешним резервуаром (2) с жидким азотом, и водосборник (7), расположенный под змеевиком (4).