Способ мониторинга химического состава опасной технологической жидкости Российский патент 2024 года по МПК G01N21/27 

Изобретение относится к спектрофотометрическому анализу и может быть использовано для определения элементного состава проб, находящихся в жидком агрегатном состоянии и имеющих многокомпонентный состав, для различных научных и технологических целей, например, при анализе растворов химически опасных жидкостей в процессе их технологической переработки.

Основой современной атомной энергетики являются тепловые реакторы, работающие в открытом ядерном топливном цикле, т.е. в этом случае отработанное ядерное топливо (ОЯТ) не используется вторично и поступает на захоронение (в настоящее время на российских АЭС накоплено более 200 т плутония (Pu). При этом решение проблемы радиационной безопасности высокоактивных отходов (ВАО), сосредоточенных в ОЯТ, отложено. При увеличении ядерных мощностей в мировой энергетике конкурентоспособность атомной энергетики будет зависеть от решения проблемы обращения с ОЯТ, а также от эффективности использования потенциала природного урана, стоимость которого неизбежно будет расти.

Кардинальное решение проблем обращения с ОЯТ и сырьевого ресурса лежит на пути формирования энергетической системы замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). Такая двухкомпонентная система включает АЭС с реакторами на тепловых нейтронах и быстрых нейтронах и централизованные заводы ядерного топливного цикла. Тепловые реакторы являются источниками ОЯТ, которое затем подвергается рефабрикации путем смешивания с природным ураном, далее это новое топливо используется в реакторах на быстрых нейтронах, при этом ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах в дальнейшем становится энергетическим сырьем и отправляется обратно в топливный цикл. Физической основой ЗЯТЦ является производство нового делящегося материала в процессе работы ядерного реактора. При этом процессы переработки и рефабрикации ЗЯТЦ - это сложные самостоятельные задачи. Сложность объясняется наличием в ОЯТ большого количество радиоактивных изотопов (более 200) малой концентрации. На различных стадиях ЗЯТЦ применяются различные способы мониторинга химического состава опасной технологической жидкости, находящейся в процессе переработки. Поскольку указанные способы мониторинга несут постоянные угрозы как для жизни обслуживающих оборудование сотрудников, так и непосредственно для самого используемого оборудования, они должны отвечать ряду жестких требований.

Во-первых, для уменьшения накопительного эффекта радиационной нагрузки на сотрудников за время трудовой деятельности, необходимо обеспечивать дистанционный автоматизированный контроль за оборудованием, обеспечивающим мониторинг химического состава опасной технологической жидкости.

Во-вторых, для повышения оперативности и точности управления за текущим технологическим процессом, необходимо использовать технологические операции, позволяющие определять концентрацию элементов в различных продуктах с необходимой точностью и в широком диапазоне измеряемых величин.

В-третьих, давать точную информацию о динамике изменений в технологической жидкости, позволяющую своевременно реагировать на возникшие отклонения.

В-четвертых, одновременно выводить данные о присутствующих в технологической жидкости элементах, входящих в состав ядерного топлива.

В радиохимическом производстве известен способ лабораторного спектрального контроля урана, плутония и трансплутониевых элементов (См. К.И. Карезин, О.В. Старовойтова, О.В. Степанова «Определение плутония по собственному спектру светопоглощения в технологических растворах с использованием церия» // Аналитика и контроль. 2005. Т. 9. №1. С. 74-80., Мясоедов Б.Ф. и др. Аналитическая химия трансплутониевых элементов. М., «Наука», 1972.). Согласно данному способу анализируемая проба смешивается в колбе со вспомогательным раствором, затем эта смесь помещается в кювету, которая просвечивается источником излучения и по спектру, прошедшему через кювету, проводят определение концентрации элементов.

Достоинством известного способа является способность обеспечивать определение концентрации элементов с достаточно низкими погрешностями анализа в сложных (многокомпонентных) по составу пробах.

Основным недостатком известного способа, является то, что он является лабораторным методом, который не обеспечивает оперативность анализа и из-за этого уменьшается его информативность (актуальность измеренной концентрации через 3 ч после отбора пробы, составляет примерно 10% от проведенного анализа).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является взятый в качестве прототипа, проточно-инжекционный способ, который обеспечивает значительно более оперативное получение результатов, чем у вышеописанного аналога (См. Москвин Л.Н., Мирошниченко И.В. «Проточные методы анализа как новый подход к осуществлению химико-аналитического и радиохимического контроля в атомной энергетике» // Журнал аналитической химии, 2019, том 74, №11, с. 861-869).

Анализ раствора технологической жидкости этим способом проводят в процессе ее течения по трубопроводу, находящемуся в защищенном герметичном боксе. При этом, из отдельных точек трубопровода, производится отбор проб, каждая из которых, по своему отводку от трубопровода выводится наружу из защищенного бокса и посредством крана-переключателя потоков инжектируется в прозрачную проточную кювету, где поток раствора пробы облучается источником света, направление которого перпендикулярно потоку жидкости, а прошедшее через кювету излучение поступает на вход спектрометра, который регистрирует спектр этого излучения, а затем, по зарегистрированному спектру определяют химический состав жидкости.

Известный способ позволяет проводить определение элементов пробы в широком диапазоне концентраций при малом количестве пробы, обладает высокой производительностью, а также позволяет использовать минимальную пробоподготовку, позволяющую работать в режиме реального времени.

Основными недостатками известного способа, является то, что, во-первых, анализ пробы проводится в проточной кювете, установленной в кюветном отделении спектрометра. Это значит, что анализируемая проба покидает защитный бокс, что, в свою очередь, приводит к повышению радиационной нагрузки на сотрудников лаборатории.

Во-вторых, после проведения анализа пробы, необходимо предпринять дополнительные меры по утилизации проанализированной пробы.

Техническим результатом заявляемого изобретения является сохранение достоинств прототипа (определение элементов пробы в широком диапазоне концентраций при малом количестве пробы, обеспечение высокой производительности способа, а также использование минимальной пробоподготовки), при одновременном устранении его недостатков (радиационной нагрузки на сотрудников лаборатории и необходимости утилизации проанализированной пробы), что достигается за счет создания новой технологии мониторинга химического состава опасной технологической жидкости.

Указанный технический результат в способе мониторинга химического состава опасной технологической жидкости, включающем, забор проб в контрольных точках трубопровода с химически опасной жидкостью, находящегося в защищенном герметичном боксе, последующее облучение проб опасной жидкости источником света, проходящим через прозрачную проточную кювету в направлении перпендикулярном потоку жидкости, и регистрацию прошедшего через кювету светового излучения спектрометром для выявления присутствия в жидкости искомых химических элементов, достигается тем, что забор проб жидкости в контрольных точках трубопровода и их облучение световым потоком проводят непосредственно внутри трубопровода, в разрыв которого в контрольных точках встроены прозрачные проточные кюветы, при этом входной световой поток, подается в каждую прозрачную кювету по волоконно-оптическому кабелю в виде нормированного по величине светового потока, а выход из нее светового потока осуществляется через выходной волоконно-оптический кабель на входную щель спектрометра.

Поскольку забор проб жидкости в контрольных точках трубопровода и их облучение световым потоком проводят непосредственно внутри трубопровода, то это позволяет:

- во-первых, проводить анализ пробы непосредственно в защищенном герметичном боксе в проточной кювете, установленной внутри трубопровода, т.е. нет необходимости инжектировать пробу в кюветное отделение спектрометра, а значит, подвергать обслуживающий персонал повышению радиационной нагрузки;

- во-вторых, после проведения анализа пробы, нет необходимости принимать дополнительные меры для утилизации проанализированной пробы, т.к. проба, вместе с остальной жидкостью просто перемещается по трубопроводу;

- в-третьих, зная скорость течения жидкости по трубопроводу и расстояние между соседними проточными кюветами, мы можем в реальном времени отслеживать изменения в составе пробы, которые происходят при ее перемещении по трубопроводу, что достигается сравнением предыдущего состава пробы, например, из первой кюветы с последующими, например, из второй или третьей кюветы;

- в-четвертых, благодаря регистрации сигнала в широком спектральном диапазоне, мы получаем данные об изменении содержания всех компонентов анализируемого раствора одновременно.

Целесообразно при реализации заявляемого способа с ограниченным количеством проточных кювет, встроенных в трубопровод (в количестве не более 10-15 штук), все кюветы одновременно соединить своими выходными волоконно-оптическими кабелями с входной щелью спектрометра, при этом выбор кюветы, в которой производятся текущие измерения осуществляют подачей входного светового потока только на данную кювету. В этом случае удается избежать наличия каких-либо механических переключателей световых потоков, что существенно повышает надежность забора проб из проточных кювет.

При количестве кювет, когда необходимое количество выходных волоконно-оптических кабелей не может физически поместиться во входную щель спектрометра, выгодно для последовательного считывания сигнала с каждой проточной кюветы использовать оптический переключатель, в котором переключение потока света между проточными кюветами для считывания сигнала спектрометром осуществляется подвижным зеркалом, которое своей первой половиной принимает поток света от источника и отражает его на торец входного волоконно-оптического кабеля кюветы, а своей второй половиной - с торца выходного волоконно-оптического кабеля кюветы принимает поток света, прошедшего через кювету и отражает его на вход спектрометра.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет существенно повысить безопасность проведения мониторинга химического состава опасной технологической жидкости, за счет исключения радиационной нагрузки на сотрудников лаборатории во время проведения спектрального анализа пробы, а также необходимости принятия дополнительных мер для утилизации проанализированной пробы, что не имеет аналогов среди известных способов мониторинга химического состава опасных жидкостей, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность заявляемого технического решения поясняется представленными на фиг. 1-4 рисунками.

На фиг. 1 представлен упрощенный рисунок, поясняющий суть заявляемого способа, включающий: защищенный бокс 1 с трубопроводом 2, внутри которого протекает опасный раствор 3, химический состав которого требуется определить; в трубопровод 2 встроены прозрачные проточные кюветы 4a - 4n, каждую из которых просвечивают поперек течению раствора 3 излучением от источников 5a -5n; выходы проточных кювет 4a - 4n соединены своими волоконно-оптическими кабелями 6a - 6n с входной щелью спектрометра 7.

На фиг. 2 представлен Вид А - поперечный разрез одной из проточных кювет, поясняющий прохождение оптических лучей внутри кюветы 4n, корпус которой 10 установлен в разрез трубопровода 2 при помощи двух обжимных фитингов 11а 11б резьбовыми патрубками 12а и 12б и двумя уплотнительными прокладками 13а и 13б, что обеспечивает герметичность проточной кюветы. Внутри корпуса 10 кюветы расположены коллиматорные линзы 14а и 14б. Коллиматорные линзы 14а и 14б отделены от центральной проточной части кюветы герметизирующими сапфировыми окнами 15а и 15б. Протекающую через кювету жидкость 3 просвечивают поступающим через волоконно-оптический кабель 16 световым потоком, который в конусном пространстве 17 переходит в расходящийся поток 18, а затем коллиматорной линзой 14а преобразуется в параллельный световой поток 19. После этого, уже на выходе из кюветы, параллельный световой поток 19 преобразуется коллиматорной линзой 14б в сходящий световой поток 20 и собирается в конусном пространстве 21 для его выведения через волоконно-оптический кабель 22.

На фиг. 3 представлен упрощенный рисунок, поясняющий оптическую схему присоединение выходных волоконно-оптических кабелей 6а - 6n (см. фиг. 1), соединяющих проточные кюветы 4а - 4n с входной щели спектрометра 7, где: 23 - входная щель спектрометра; расходящийся от входной щели пучок света 24, освещающий дифракционную решетку 25 спектрометра; 26 - расходящийся выходной пучок света, падающий на линейку регистрирующих свет фотодиодов 27.

На фиг. 4 представлен упрощенный рисунок, поясняющий принцип работы оптического переключателя, находящегося вне защищенного бокса, который одновременно освещает проточную кювету и направляет поток света, прошедшего через кювету в спектрометр, где: 28 - корпус-тубус оптического переключателя, внутри которого на вращающимся штоке 29 и при помощи шагового двигателя 30 перемещается наклонное зеркало 31, занимающее различные положения 31а, 31б, 31n; в нижней части тубуса 28 установлена стеклянная заглушка 32, пропускающая внутрь тубуса поток света 33 от источника 34, а из тубуса - поток света 35 к спектрометру 36; внутри тубуса 28 поток света 33 отражается от верхней части наклонного зеркала в положении 31а и через волоконно-оптический кабель 37а попадает на вход проточной кюветы 38а, а пройдя через кювету 38а и волоконно-оптический кабель 39а поток света попадает на нижнюю часть наклонного зеркала и, отражаясь от него, световой поток 35 попадает на вход спектрометра 36 (аналогичным образом световые потоки 33 и 35 взаимодействуют с кюветами 38б и 38n в положениях зеркала 31б и 31n); 40 - трубопровод (показан условно пунктирными линиями), который расположен в герметичном боксе 41.

Рассмотрим заявляемый способ мониторинга химического состава опасной технологической жидкости на примерах его реализации.

Пример 1. Для рассмотрения варианта реализации заявляемого способа с ограниченным количеством контрольных точек на трубопроводе с химически опасной жидкостью, из которых осуществляют забор проб, используем рисунки, представленные на фиг.1 - фиг. 3.

На фиг. 1 представлен рисунок, на котором показан защищенный бокс 1 с трубопроводом 2, внутри которого протекает опасный раствор 3, химический состав которого требуется определить. В трубопровод 2 встроены прозрачные герметичные проточные кюветы 4а - 4n, конструкция которых представлена на виде А (см. фиг. 2). Каждая из кювет 4а - 4n имеет свой источник излучения 5а - 5n, который просвечивает кювету поперек течения раствора 3. Для простоты понимания, на фиг. 1 источник света показан условно (в виде лампы, расположенной рядом с проточной кюветой). Т.к. полупроводниковые приборы (светодиоды, лазерные диоды и т.п.) в присутствии радиационного фона от раствора 3, подвергаются деградации, т.е. их параметры значительно изменяются, в основном в сторону ухудшения, их целесообразно вынести из защищенного бокса 1. Поэтому, свет в кювету подается через волоконно-оптический кабель 16 (см. фиг. 2), который позволяет избежать эффекта деградации, при этом сам источник излучения находится за пределами защищенного бокса 1. Попадая через кабель 16 в конусное пространство 17 в корпусе 10 кюветы, свет сначала переходит в расходящийся поток 18, а затем коллиматорной линзой 14а преобразуется в параллельный световой поток 19, который просвечивает протекающий раствор 3. На выходе из кюветы, параллельный световой поток 19 преобразуется коллиматорной линзой 14б в сходящий световой поток 20 и собирается в конусном пространстве 21 для его выведения через волоконно-оптический кабель 22. На фиг. 3 представлен упрощенный рисунок, поясняющий оптическую схему присоединения выходных волоконно-оптических кабелей 6а - 6n (см. фиг. 1), соединяющих проточные кюветы 4а - 4n с входной щелью 23 спектрометра 7. Для данного примера реализации заявляемого способа, использование той или иной проточной кюветы 4а - 4n сводится к простому включению одного из источников излучением 5а - 5n.Следовательно, только свет от одного источника излучения пройдет через кювету и попадет через выходной волоконно-оптический кабель 6а - 6n во входную щелью 23 спектрометра 7. В спектрометре 7, свет от входной щели 23 преобразуется в расходящийся пучок света 24, который освещает дифракционную решетку 25 спектрометра, а отраженный от дифракционной решетки 25, расходящийся выходной пучок света 26, падает на линейку фотодиодов 27, где, регистрируется в спектральном диапазоне 190-1100 нм. По длине волны, зарегистрированной спектрометром 7, и интенсивности указанного излучения делают выводы о присутствии в растворе 3 тех или иных химических элементов и об их количественном содержании.

Пример 2. Для реализации заявляемого способа с неограниченным количеством контрольных точках на трубопроводе с химически опасной жидкостью, из которых осуществляют забор проб, рассмотрим вариант применения оптического переключателя, представленного в упрощенном виде на рисунке на фиг. 4. Оптический переключатель осуществляет переключение потока света между проточными кюветами 38а - 38n, которое осуществляется подвижным зеркалом 31, расположенным внутри тубуса 28 и занимающим различные позиции 31а - 31n. Перемещение подвижного зеркала 31 осуществляется с помощью вращающегося штока 29 и шагового двигателя 30. Если зеркало 31 находится в позиции 31а, оно своей верхней половиной принимает поток света 33 от источника 34 и отражает его на торец входного волоконно-оптического кабеля 37а проточной ячейки 38а, при этом своей нижней половиной - оно принимает поток света, прошедший через кювету 38а и выходной волоконно-оптический кабель 39а, который затем отражает в виде потока света 35 на вход спектрометра 36. Аналогичным образом, работает зеркало 31 в позиции 31б и 31n.

Для проверки первого варианта заявляемого способа, описанного в примере 1, был разработан макет экспериментальной установки, имитирующий трубопровод 3 с комплектом из трех проточных кювет 4. В качестве источников излучения 5, использовался галогенный источник со стабилизацией светового потока YLS-8301-05, производства Yixi Intellegent Technology, имеющий разъем для подключения волоконно-оптического кабеля, который размещался на удалении 10 м от трубопровода 3. Корпуса 10, проточных кювет были изготовлены из нержавеющей стали сплав AISI 304. Установка проточных кювет в трубопровод производится через трубные обжимные фитинги 11а и 11б марки UNILOK, которые через резьбовое соединение 12а и 12б подключаются к проточной кювете. В поперечном направлении кюветы также имеется сквозное отверстие, которое глушится сапфировыми окнами 15а и 15б с двух сторон кюветы. За сапфировыми окнами были закреплены коллиматорные линзы 14а и 14б, имеющие фокусное расстояние 17 мм и диаметр 10 мм.

В качестве волоконно-оптического кабеля 16 (фиг. 2) использовался кабель марки OKKWF1000, производства ООО "Научно-Технический Центр Волоконно-оптических Устройств". В качестве волоконно-оптического кабеля 6а - 6n использовался волоконно-оптический жгут-конвертер 7WF200, производства ООО «НТЦ Волоконно-оптических Устройств».

В качестве спектрального прибора использовался спектрометр «Колибри-2», производства ООО «ВМК-Оптоэлектроника». Спектрометр создан по схеме Черни-Тернера на основе плоской дифракционной решетки и анализатора МАЭС, внесенного в реестр средств измерения РФ под №21013-01 с одной линейкой фотодетекторов. Он обладает повышенной фотометрической точностью за счет охлаждения и стабилизации температуры линейки фотодетекторов, а также благодаря ее бескорпусному исполнению, при котором отсутствует переотражение излучения на покровном стекле и снижается уровень фона в зарегистрированном спектре. Оптическая схема и конструкция спектрометра оптимизированы для получения спектра высокого качества с низким уровнем фонового излучения в любой из областей, лежащих в спектральном интервале 190-1100 нм. Выбор рабочей области осуществляется путем смены и поворота дифракционных решеток. Герметичный корпус спектрометра наполнен инертным газом. Излучение вводится в спектрометр с помощью кварцевого конденсора или волоконно-оптического кабеля с разъемом SMA-905.

Для проверки второго варианта заявляемого способа, описанного в примере 2, был использован тот же макет экспериментальной установки, оборудованный дополнительно оптическим переключателем (см. фиг. 4). Подвижное зеркало 31 оптического переключателя перемещалось в положения 31а-31n помощью шагового двигателя марки 4209L-01, производства LIN Engineering, при этом контроль положения зеркала осуществлялся посредством абсолютного энкодера с точностью 15 мкм/м. В качестве выходного волоконно-оптического кабеля использовался аналогичный входному волоконно-оптическому кабелю марки OKKWF1000.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения элементного состава многокомпонентных проб, находящихся в жидком агрегатном состоянии и может быть использовано для анализа растворов химически опасных жидкостей в процессе их технологической переработки. Способ мониторинга химического состава опасной технологической жидкости включает забор проб в контрольных точках трубопровода с химически опасной жидкостью, находящегося в защищенном герметичном боксе, последующее облучение проб опасной жидкости источником света, проходящим через прозрачную проточную кювету в направлении, перпендикулярном потоку жидкости, и регистрацию прошедшего через кювету светового излучения спектрометром для выявления присутствия в жидкости искомых химических элементов. Забор проб жидкости в контрольных точках трубопровода и их облучение световым потоком проводят непосредственно внутри трубопровода, в разрыв которого в контрольных точках встроены прозрачные проточные кюветы, при этом входной световой поток подается в каждую прозрачную кювету по волоконно-оптическому кабелю в виде нормированного по величине светового потока, а выход из нее светового потока осуществляется через выходной волоконно-оптический кабель на входную щель спектрометра. Техническим результатом является определение элементов пробы в широком диапазоне концентраций при малом количестве пробы, с высокой производительностью способа, использование минимальной пробоподготовки, а также устранение радиационной нагрузки на сотрудников лаборатории и необходимости утилизации проанализированной пробы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ мониторинга химического состава опасной технологической жидкости, включающий забор проб в контрольных точках трубопровода с химически опасной жидкостью, находящегося в защищенном герметичном боксе, последующее облучение проб опасной жидкости источником света, проходящим через прозрачную проточную кювету в направлении, перпендикулярном потоку жидкости, и регистрацию прошедшего через кювету светового излучения спектрометром для выявления присутствия в жидкости искомых химических элементов, отличающийся тем, что забор проб жидкости в контрольных точках трубопровода и их облучение световым потоком проводят непосредственно внутри трубопровода, в разрыв которого в контрольных точках встроены прозрачные проточные кюветы, при этом входной световой поток подается в каждую прозрачную кювету по волоконно-оптическому кабелю в виде нормированного по величине светового потока, а выход из нее светового потока осуществляется через выходной волоконно-оптический кабель на входную щель спектрометра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все кюветы одновременно соединены своими выходными волоконно-оптическими кабелями с входной щелью спектрометра, при этом выбор кюветы, в которой производятся текущие измерения, осуществляют подачей входного светового потока только на данную кювету.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проточные кюветы подключаются последовательно к входной щели спектрометра через оптический переключатель, в котором переключение потока света между проточными кюветами для считывания сигнала спектрометром осуществляется подвижным зеркалом, которое своей первой половиной принимает поток света от источника и отражает его на торец входного волоконно-оптического кабеля кюветы, а своей второй половиной - с торца выходного волоконно-оптического кабеля кюветы принимает поток света, прошедшего через кювету, и отражает его на вход спектрометра.