帶自動控制功能的除氚系統(tǒng)

杜 陽 楊 勇 蔣樹斌 王和義

(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900)

氚的應(yīng)用廣泛，如氚燈、地下測井中子管、電子俘獲裝置、高性能電子管等。氚易為地面、墻壁、金屬等表面吸附，其β放射性雖弱，也得控制其長期照射工作人員。金屬表面空氣中水易與氣態(tài)氚反應(yīng)，生成毒性比氣態(tài)氚大104倍的氚水(HTO)，人吸入后難以排出體外。民用領(lǐng)域中，氚單次使用量不大，但場所較分散，總使用量不低，涉氚生產(chǎn)工藝后端須配置氚污染檢測與凈化設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測氚濃度，并將尾氣中的氚凈化處理至符合操作場所的安全要求，降低操作人員攝入的有效劑量，減少氚排放總量，滿足環(huán)境和公眾劑量的相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前主要用催化氧化法除氚，先將氚氣氧化為氚水，再用分子篩吸收氚水。如Los Alamos National Laboratory 的TSTA (Tritium System Test Assembly)上配備的ETC (Emergency Tritium Cleanup)、歐洲聯(lián)合堆上配備的氚去污系統(tǒng)、日本原子力研究所氚操作設(shè)施上配備的氚凈化系統(tǒng)等，均采用此法。

本文研制的除氚系統(tǒng)配置自動控制功能，設(shè)計(jì)去污因子達(dá) 103，還可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步提高。初步測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)了無人值守和應(yīng)急快速響應(yīng)的功能，為大劑量氚操作的日常凈化處理和事故響應(yīng)提供高效和簡捷的技術(shù)途徑。

1 設(shè)計(jì)與測試方法

1.1 除氚系統(tǒng)的主要反應(yīng)部件設(shè)計(jì)

空氣中氚自身氧化為氚水的速度極低，反應(yīng)速度常數(shù)一般在 10–6–10–8間[1]，用金屬催化劑介入反應(yīng)過程能顯著提高氧化速度。假定催化劑床層的組成是均勻的，氣相反應(yīng)物消失的速率與催化劑床層的體積成正比，反應(yīng)器內(nèi)視為理想的等溫、等壓、恒容、絕熱體系，氚的催化氧化反應(yīng)近似一級反應(yīng)[2]，t時(shí)刻的濃度計(jì)算為

式中，CT為氚的濃度(Bq/m3)；k為速度常數(shù)(s–1)；C0為氚氣初始濃度(Bq/m3或Bq/L)。

1.1.1 催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

催化劑填充量Vc由式(2)計(jì)算：

其中，F(xiàn)為氣體流量(L/min)；k 為反應(yīng)速度常數(shù)(s–1)；f為單程轉(zhuǎn)化效率。

當(dāng)反應(yīng)器直徑大于固體催化劑顆粒直徑的 10倍、反應(yīng)器有效高度大于固體催化劑顆粒直徑的100倍時(shí)，氣體在反應(yīng)器內(nèi)的流動接近理想的平流式反應(yīng)器。催化反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改善保溫措施，使催化劑在最佳反應(yīng)溫度下工作。在催化反應(yīng)器前設(shè)計(jì)增加一級預(yù)熱器，預(yù)熱器溫度不低于催化反應(yīng)溫度。

1.1.2 氚水吸附器的設(shè)計(jì)

分子篩動態(tài)吸附容量αγ由式(3)計(jì)算：

式中，t1/2為分子篩的半穿透時(shí)間(min)；F為氣體流量(L/min)；C為被處理氣體中的水蒸氣濃度， M為水蒸氣摩爾質(zhì)量，G為分子篩填充量(g)。

氚水吸附器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要改善隔熱和活化措施，提高氚水吸附效率、延長分子篩使用壽命和減少換料頻率。

1.1.3 氚濃度監(jiān)測單元

氚濃度監(jiān)測單元主要改善測量流量與凈化流量匹配和穩(wěn)定性兩方面，在系統(tǒng)上設(shè)計(jì)兩個(gè)電離室，分別置于密閉容器回路和循環(huán)處理回路上，并配靜電計(jì)和數(shù)據(jù)記錄儀，分別采集電離室的弱電流信號和轉(zhuǎn)換顯示為氚濃度。

1.2 除氚系統(tǒng)的整體工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)氚工藝的具體情況，采用循環(huán)去除模式處理密閉容器中的含氚氣體。工藝設(shè)計(jì)基于氚的催化氧化原理進(jìn)行。除氚過程用氣體壓縮機(jī)將含氚氣體從手套箱內(nèi)送入凈化系統(tǒng)，經(jīng)過預(yù)捕集器和混合器后進(jìn)入被加熱到預(yù)定溫度的催化氧化反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)器中氚(T2, HT)被氧化成氚化水，氚化水蒸氣由氣體帶出反應(yīng)器后，經(jīng)冷卻器降到室溫，再通過干燥器被吸附劑吸附除去，用在線氚測量儀測定手套箱中氣體的氚濃度，當(dāng)氚濃度達(dá)到排放限值后導(dǎo)入排風(fēng)煙囟排放。流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)除氚流程Fig.1 Detritiation process.

1.3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用雙組復(fù)式操縱控制，分別通過 PC和系統(tǒng)上單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)輸入監(jiān)測限值，調(diào)節(jié)溫控、壓力，并在條件許可下（密碼、功能）對開關(guān)量輸出信號實(shí)施方便的人為干預(yù)指令控制。自動控制軟件可模擬顯示輸出運(yùn)行狀態(tài)。

輸入由四部分構(gòu)成，第一部份為實(shí)時(shí)測控的各類傳感器，第二部份為前置信號放大器，將傳感器的電信號放大為0–5 V或4–20 mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號；第三部份為各路模擬信號，由A/D（模擬/數(shù)字）切換開關(guān)尋格；第四部份為A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為256分度的數(shù)字信號，供計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

工業(yè)微機(jī)控制器按除氚系統(tǒng)運(yùn)行要求設(shè)置。首先采用電子濾波排除干擾信號，自動處理各類控制信號，如比較、排序、運(yùn)算等，并做出相應(yīng)判斷，發(fā)出相關(guān)的信號。通過模擬運(yùn)行圖觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

1.4 加工工藝

所有氣體經(jīng)過的管道和容器均采用 316L不銹鋼材料，其內(nèi)壁均進(jìn)行多次拋光處理，減少氚的滲透；測量儀器間的連接均采用屏蔽電纜，避免電磁干擾；測氚電離室氣路接嘴采用聚四氟乙烯成形部件，達(dá)到良好的絕緣效果。

1.5 性能測試方法

使用冷實(shí)驗(yàn)和少量氚測試除氚系統(tǒng)的性能。將系統(tǒng)與1 m3密閉容器連接，并在密封容器中注入含一定百分比的D2，用閉合循環(huán)處理模式處理，循環(huán)開始后不同時(shí)間段在凈化系統(tǒng)的進(jìn)氣口取樣，用氣相色譜儀測量樣品中D2的體積比，根據(jù)測量結(jié)果觀察D2濃度在凈化過程中的降低程度；多次向30 L密閉容器注入不同濃度的含氚氣體，經(jīng)除氚系統(tǒng)循環(huán)處理，測試處理前后的氚濃度，計(jì)算出除氚效率。

1.6 測試儀器

氣相色譜儀：1002型，601色譜柱，上海分析儀器廠生產(chǎn)；氚測量裝置：KEITHLEY 6517靜電計(jì)與2.2 L內(nèi)拋光電離室連接測量。

氚濃度測量范圍為 3.7×105–3.7×1012Bq/m3。

2 參數(shù)與測試結(jié)果

2.1 分子篩性能參數(shù)

催化劑和分子篩性能參數(shù)見表1、表2。結(jié)合實(shí)際除氚情況，本除氚系統(tǒng)采用13X分子篩裝填氚水吸附器。

2.2 除氚系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

(1) 冷卻器：冷卻器內(nèi)徑F與高度H比為：F:H＝1:5，冷卻管總長度L=3.3 m。

(2) 催化床：催化劑最小裝填體積 Vc?l L；催化床反應(yīng)器直徑:催化劑裝填高度＝1:5；催化劑床層高度>催化劑顆粒直徑 100倍，符合平流型反應(yīng)器模型。

(3) 干燥器：分子篩最小裝填體積＝2.86 L；干燥器體積＝3.5 L。

2.3 除氚系統(tǒng)自動控制軟件界面

除氚系統(tǒng)自動控制軟件在不同運(yùn)行模式下的界面見圖2–圖4。由圖2–圖4看出，自動控制軟件在不同運(yùn)行模式下各項(xiàng)數(shù)據(jù)清晰，控制性能良好。

表1 用不同催化劑時(shí)氫的轉(zhuǎn)化效率[3]Table 1 Conversion efficiency of hydrogen using different catalyst.

表2 幾種吸附劑最大吸附容量(單位：mol·L–1)[4]Table 2 Maximum adsorption capacity (in mol·L–1) of different adsorbents.

圖2 自動控制軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)系數(shù)設(shè)置界面Fig.2 Screen display of automatic parameter-setting for tritium monitoring.

圖3 自動控制軟件手動活化吸附劑界面Fig.3 Screen display of the software for manual activating the adsorbents.

圖4 自動控制軟件自動運(yùn)行處理含氚尾氣界面(外加標(biāo)準(zhǔn)電流模擬氚濃度信號)Fig.4 Screen display of the software for automatic detritiation(with standard current to simulate tritium concentration signal).

2.4 除氚系統(tǒng)的初步性能測試結(jié)果

在用含氚氣體實(shí)驗(yàn)前，用含D2空氣預(yù)實(shí)驗(yàn)考察除氚系統(tǒng)的性能。將1 m3密封容器抽真空至1 Pa，然后向其中加入約2.9%(V/V)的含D2空氣，用除氚系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)凈化處理，結(jié)果見圖5。

分5次向30 L密閉容器注入不同濃度的含氚混合氣體，除氚系統(tǒng)循環(huán)處理結(jié)果見表3。

從圖5、表3看出，1 m3密封容器中氘氣體積比在 6.0×10–4–2.8×10–2范圍內(nèi)，用除氚系統(tǒng)循環(huán)處理后，在35 min內(nèi)將氘氣濃度降低兩個(gè)量級，除氘效果十分理想；5次對30 L密閉容器內(nèi)不同濃度的含氚氣體處理，在60 min內(nèi)除氚效率均達(dá)到95%，效果良好。

圖5 1 m3密閉容器內(nèi)含氘空氣的處理效果Fig.5 Dedeuterium efficiency in a 1-m3 sealed container.

表3 30 L密閉容器內(nèi)含氚氣體的除氚效果(除氚時(shí)間：60min)Table 3 Detritiation efficiency in a 30-L sealed container(detritiation time: 60 min).

3 結(jié)論

(1) 通過化工設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，得出除氚系統(tǒng)的催化劑裝填體積、干燥吸附劑的裝填量、冷卻管長度和循環(huán)處理氣體流量等參數(shù)，選擇鉑/氧化鋁和13X分子篩分別作催化劑和氚水吸附劑，完成了自動控制軟件的功能設(shè)計(jì)。

(2) 進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)系數(shù)調(diào)節(jié)、手動活化吸附劑、外加標(biāo)準(zhǔn)電流模擬氚濃度信號3項(xiàng)操作，自動控制軟件在不同操作模式下各項(xiàng)數(shù)據(jù)清晰，控制性能良好。

(3) 通過冷實(shí)驗(yàn)初步考察除氚系統(tǒng)，結(jié)果表明，1 m3密封容器中氘氣體積比(6–280)×10–4范圍內(nèi)時(shí)，用除氚系統(tǒng)循環(huán)處理后，在35 min內(nèi)氘氣濃度降低兩個(gè)量級，除氘效果十分理想；5次對30 L密閉容器內(nèi)不同濃度的含氚氣體處理，在60 min內(nèi)除氚效率均達(dá)到95%。

1 Bornschein B, Glugla M, Gunther K, et al. Fusion Sci Technol, 2005, 48: 11–16

2 楊懷遠(yuǎn). 氚的安全與防護(hù). 原子能出版社, 1997. 76–82 YANG Huaiyuan. Safety and prevention about tritium.Atomic Energy Publish, 1997. 76–82

3 但貴萍, 盧瑤章. 原子能科學(xué)技術(shù), 1999, 1(33): 12–16 DAN Guiping, LU Yaozhang. At Energy Sci Technol,1999, 1(33): 12–16

4 羅德禮, 熊義富. 原子能科學(xué)技術(shù), 2002, 36(3):218–221 LUO Deli, XIONG Yifu. At Energy Sci Technol, 2002,36(3): 218–221