Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ТЯЖЕЛОГО ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ГАЗОВУЮ СРЕДУ

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а более точно к радиационному анализу материалов.

Эксплуатация ядерных энергетических установок (ЯЭУ), использующих в качестве теплоносителя тяжелые металлы (свинец, свинец-висмут) сопровождается присутствием в газовом объеме этих установок радионуклидов в аэрозольной и паровой форме. Среди этих радионуклидов могут быть как продукты активации примесей теплоносителя и продуктов коррозии конструкционных материалов, так и продукты деления ядерного топлива, попадающие в теплоноситель при разгерметизации твэлов. Для обоснования безопасности реакторной установки (РУ) важно получить экспериментальные данные об уровнях активности среды газового объема РУ по основным радионуклидам, в числе которых для установок со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями рассматривается ²¹⁰Ро. В проекте РУ должна быть предусмотрена радиационная защита и локализующие системы, учитывающие активность газовой среды и находящегося в этой среде оборудования, для чего также требуются экспериментально подтвержденные данные.

Для получения данных о значениях активностей нуклидов в газовом объеме и на поверхностях оборудования газового объема необходимо воссоздать условия переноса нуклидов из теплоносителя в газовую среду, подобные условиям в проектируемой РУ. Для этого создают специальные экспериментальные установки.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является установка для определения выхода летучих веществ из тяжелого жидкометаллического теплоносителя, содержащая петлю циркуляции газа, включающую емкость с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней выполнены патрубки подвода и отвода газа, фильтр для осаждения аэрозолей, холодильник, расходомер и компрессор для прокачки газа («Исследование свинцовых аэрозолей применительно к очистке газового контура реактора БРЕСТ-ОД-300», Мельников В.П., Мартынов П.Н. и др., доклад на конференции «Ядерные реакторы на быстрых нейтронах», стр. 54, Обнинск, 2003).

Известная установка работает следующим образом. Непосредственно в емкости за счет нагревательных элементов осуществляют разогрев жидкометаллического теплоносителя, например свинца, до заданной температуры. Петлю циркуляции заполняют газом. Включают компрессор и таким образом организовывают циркуляцию газа по контуру. Необходимый расход газа устанавливают за счет расходомера. С поверхности свинца в газовый объем емкости испаряются вещества (нуклиды), растворенные в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, а также сам теплоноситель. Газ, выходящий из емкости, проходит фильтр для осаждения аэрозолей, затем - холодильник, где охлаждается до определенных температур, далее - через расходомер, компрессор и поступает обратно в емкость, где петля циркуляции теплоносителя замыкается. Дисперсный состав и концентрацию аэрозолей в газовом контуре определяют с помощью лазерного спектрометра.

В известной лабораторной установке приближенно имитируются реальные условия только газового объема. Воспроизводится, главным образом, испарение теплоносителя, тогда как для примесных нуклидов возможен только диффузный процесс выхода к поверхности раздела фаз за счет различных скоростей приповерхностного течения расплава. Отсутствие циркуляции теплоносителя не позволяет поддерживать его качество идентичным качеству теплоносителя в РУ. Кроме того, известная установка позволяет изучать только нерадиоактивные аэрозоли.

Недостатком известной установки является отсутствие условий, имитирующих реальные условия течения теплоносителя, что отрицательно сказывается на точности исследований выхода летучих веществ их жидкометаллического теплоносителя в газовый объем.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности исследований.

Техническим результатом изобретения является вариативность скоростей приповерхностного течения расплава в лабораторной установке при одновременном поддержании его качества и расширение номенклатуры исследуемых веществ, выходящих из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду.

Технический результат достигается за счет того, что установка для определения выхода летучих веществ из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду, содержащая петлю циркуляции газа, включающую емкость с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней - патрубки подвода и отвода газа, фильтр для осаждения аэрозолей, холодильник, расходомер, компрессор для прокачки газа и трубку для подачи газа в петлю циркуляции газа, согласно изобретению установка дополнительно снабжена циркуляционным насосом для теплоносителя, в нижней части емкости выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителя, которые соответственно соединены с выходом и входом циркуляционного насоса с формированием петли циркуляции теплоносителя, при этом петля циркуляции теплоносителя дополнительно снабжена контейнером для размещения в нем исследуемого вещества, фильтром для удаления твердых частиц, массообменником, датчиком активности кислорода и нагревательными элементами, размещенными на оборудовании петли циркуляции теплоносителя, а петля циркуляции газа - барботером и адсорбером, расположенными последовательно после холодильника.

Кроме того, вся установка может быть помещена в герметичный защитный бокс, обеспечивающий радиационную защиту.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где показана установка для определения выхода летучих веществ из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду (принципиальные схемы). Установка содержит емкость 1 с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней - патрубки подвода и отвода газа, фильтр 2 для удержания аэрозолей, холодильник 3, барботер 4, адсорбер 5, расходомер 6, компрессор 7 для прокачки газа. Последовательно соединенное между собой оборудование по газу формирует петлю циркуляции газа. При эксплуатации лабораторной установки с целью приближения ее работы к реальным условиям, а именно обеспечения перемешивания теплоносителя в емкости 1, установка дополнительно снабжена циркуляционным насосом теплоносителя 8, а в нижней части емкости 1 выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителя. Вход и выход насоса теплоносителя 8 соединен с патрубком отвода и подвода теплоносителя емкости 1 соответственно, формируя, тем самым, петлю циркуляции теплоносителя. В реальных условиях эксплуатации реактора теплоноситель нуждается в поддержании определенной концентрации кислорода и чистоты. Для поддержания концентрации кислорода петля циркуляции теплоносителя снабжена последовательно расположенными датчиком активности кислорода 9 и массообменником 10. Датчик 9 нужен для получения информации о текущем содержании кислорода в теплоносителе, а массообменник 10 - для повышения содержания кислорода в случае его недостаточного уровня. Для очистки теплоносителя от твердых частиц в петлю циркуляции теплоносителя устанавливают фильтр 11.

Все оборудование петли циркуляции теплоносителя снабжено нагревательными элементами для поддержания теплоносителя в жидком состоянии. Для контроля за расходом теплоносителя устанавливают расходомер 12. Изучаемые радионуклиды в концентрированном виде поступают в циркулирующий теплоноситель из контейнера 13. Для защиты обслуживающего персонала вся установка может быть помещена в герметичный защитный бокс 14.

Для выполнения экспериментальных работ установку с помощью нагревательных элементов прогревают, вакуумируют и заполняют газом и теплоносителем. Включают насос теплоносителя 8 и обеспечивают циркуляцию теплоносителя по контуру, и - следовательно, приповерхностное течение и перемешивание расплава. Различные скорости теплоносителя моделируют, регулируя расход теплоносителя насосом 8. Датчиком 9 замеряют концентрацию кислорода в теплоносителе и в случае его недостаточного уровня повышают, нагревая массообменник 10 электронагревательными элементами. Исследуемые радиоактивные вещества из контейнера 13 равномерно размешиваются в проходящем через него теплоносителе и, поступая с потоком теплоносителя к поверхности раздела фаз в емкости 1, частично испаряются и захватываются газом. Газ, содержащий радионуклиды, поступает на фильтр 2, где задерживаются частицы аэрозолей, затем в холодильник 3, на котором происходит осаждение конденсируемых веществ. Несконденсированные вещества уже в виде пара задерживаются в адсорбере 4 и барботере 5. Очищенный таким образом газ по трубам поступает снова в емкость 1, где снова захватывает испаряющиеся из расплава свинца радионуклиды. Таким образом, замыкается циркуляция газа. Для определения выхода летучих веществ необходимо знать уровень активности осевших радионуклидов на элементах 2, 3, 4, 5 газового контура, для чего их (элементы контура) подвергают исследованию радиохимическими методами (например, посредством гамма-спектрометра). Выход летучих веществ определяют как отношение уровня активности осевших радионуклидов к уровню активности загружаемых в контейнер 13 радионуклидов. Полученные данные используются для создания соответствующих характеристикам газовой среды локализующих и обеспечивающих радиационную безопасность систем.