Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ТРИТИРОВАННОЙ ВОДЫ ИЗ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к области мониторинга концентрации радионуклидов в газовых потоках и атмосферном воздухе, в частности к способу отбора проб тритированных паров воды из газовой среды с переводом их в жидкую фазу для последующего анализа сцинтилляционным методом и может быть использовано при создании промышленных пробоотборников трития.

Наиболее близким по поставленной цели является метод улавливания трития, описанный в Расходомер-пробоотборник трития и углерода-14 TASC-HTO-HT-C14, Руководство по эксплуатации 421310-19-46603608-13 РЭ, ООО НПП «Радиационный контроль. Приборы и методы», Обнинск 2013 г. и http://www.overhoff.com/uploads/Chapter5.pdf

В прототипе описан способ, заключающийся в том, что газовый поток, содержащий пары тритированной воды, пропускают через емкость (виалу), заполненную водой природного изотопного состава.

В основе способа лежит процесс абсорбции тритий содержащих паров из потока газа барботированием через слой жидкой воды. Таким образом, пары тритированной воды улавливаются при барботаже газа через слой жидкости. Для увеличения степени извлечения тритий содержащих паров из потока газа используют три идентичных последовательно соединенных по потоку газа емкости с жидкостью. Согласно прототипу степень извлечения трития из газовой среды в жидкую фазу составляет 99%, т.е. степень детритизации потока газа равна К=100. Таким образом, осуществляется перевод трития из паровой фазы в жидкую и получают пробу для последующего анализа сцинтилляционным методом. При известном и постоянном потоке газа, объеме жидкости в каждой виале и заданном времени барботажа рассчитывают объемную концентрацию трития в газе.

Недостатком способа является высокая продолжительность процесса отбора пробы при низкой объемной активности по тритию газовой среды. Так при потоке газа 100 мл/мин, объеме жидкости в 3-х виалах по 20 мл в каждой для достижения чувствительности анализа трития в газе равной 37 Бк/м³ время получения пробы составляет 7 суток (168 часов) при пределе чувствительности измерения трития сцинтилляционного счетчика на уровне 1 Бк/мл (данные для низкофонового сцинтилляционного счетчика типа TriCarb). Такая продолжительность отбора проб не позволяет использовать этот способ для контроля радиационной обстановки в атмосфере и газовых потоках при динамично изменяющейся концентрации трития.

Техническим результатом заявляемого изобретения является значительное сокращение времени отбора пробы (более чем в 100 раз), позволяющее оценивать динамику изменения концентрации трития в газовых средах.

Этот технический результат достигается способом отбора проб тритированной воды из газовой среды, заключающийся в том, что пары тритированной воды из газовой фазы переводят в жидкую, при этом газовый поток, содержащий пары тритированной воды, подают снизу противоточной колонны фазового изотопного обмена (ФИО), заполненную спирально призматической насадкой, содержащую не менее 3,6 теоретических ступеней разделения, а сверху колонны подают поток воды природного изотопного состава, и жидкую пробу для анализа, содержащую тритий отбирают из нижней части колонны.

В основе заявляемого способа лежит многократное повторение в противоточной колонне, заполненной высокоэффективной насадкой, процесса фазового изотопного обмена (ФИО) между жидкой водой и ее парами по реакции (1):

в результате чего тритий, первоначально содержавшийся в паре, переходит в жидкую воду, которая, выходя из колонны, представляет собой жидкую пробу для анализа сцинтилляционным методом. Принципиальная схема, поясняющая способ, приведена на фиг. 1, где L - поток орошающей воды, G_газ - поток газа, G_H2О - поток пара, содержащийся в потоке газа, Z_к - концентрация трития в паре в выходящем из колонны потоке газа, Х_к - концентрация трития в жидкости, выходящей из нижней части колонны, Z₀ - концентрация трития в паре, Х₀ - концентрация соответствующая природному изотопному составу по тритию в жидкости (практически равна 0).

Реакция (1) сопровождается изотопным эффектом, характеризуемым коэффициентом разделения α_нт, в результате которого равновесная концентрация трития в жидкой воде выше, чем в паре. Так при температуре 298 К α_НТ=1.092 [Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А. Гетерогенные реакции изотопного обмена трития. М., УРСС, 1999, 208 С.]. Это означает, что при достаточном числе теоретических ступеней разделения в колонне ФИО количество жидкости, вытекающей из нижней части колонны ФИО, может быть меньше количества тритийсодержащих паров воды, входящих в колонну с потоком газа. Таким образом, происходит извлечение трития из газового потока, т.е. его детритизация. Степень детритизации газа от трития по такому способу будет определяться как:

где: K- степень детритизации, Z₀, Z_к - концентрация трития в паре на входе и выходе из колонны соответственно, n - число теоретических ступеней разделения в колонне ФИО (величина определяет высоту колонны, Н, Н=n*h_э, где h_э=ВЭТС - высота, эквивалентная теоретической ступени разделения, и как правило эта величина в процессах ректификации (основана на фазовом равновесии между паром и жидкостью) воды для спирально-призматической насадки размером 2×2×0,2 мм лежит в пределах h_э=1,9-2,0 см, λ=G/L (G и L - потоки пара в газовой среде и жидкости соответственно).

Для колонны, обеспечивающей в стационарном состоянии степень детритизации K около 100 и более, можно считать, что величина Z_к пренебрежимо мала по сравнению с Z₀. Таким образом, выражение зависимости концентрации трития в жидкости от концентрации в паре выглядит следующим образом:

в соответствии, с которым концентрация трития в воде на выходе из колонны однозначно связана с концентрацией трития в газе на входе в колонну.

На практике больший интерес представляет задача определения объемной активности газа, которая может быть рассчитана по следующему уравнению:

где G_г - поток поступающего в колонну газа, м³/ч.

Поскольку на орошение колонны подается вода, не содержащая трития (Х₀=0), остаточное содержание паров тритированной воды в газе, выходящем из колонны, в зависимости от ее высоты может быть на сколь угодно малом уровне.

Уравнение 3 и 4 верны только для случая стационарного состояния колонны, т.е. когда концентрация трития в выходящих из колонны потоках газа и жидкости не меняется во времени. Если принять, что концентрация трития в паре по высоте колонны линейно изменяется от Z₀ внизу колонны до Z₀/K на выходе из нее, тогда уравнение для оценки времени выхода колонны в стационарное состояние при величине λ, близкой к 1, выглядит следующим образом:

где ΔН_дин - динамическая задержка жидкости в колонне (количество жидкости, находящейся на поверхности насадки в виде стекающей пленки).

По уравнению (2) расчет показывает, что для достижения степени извлечения трития из газовой среды в жидкую фазу, равную 99% (как в прототипе), при величине λ=0,5 необходима колонна фазового изотопного обмена с числом теоретических ступеней разделения n=3,6. При степени детритизации равной К=3000 около 99,97% трития из пара переходит в жидкость в колонне ФИО. Как следует из уравнения (2) такая степень детритизации достигается при n=9,5 и величине λ=0,5. В этом случае концентрация трития в паре на выходе из колонны пренебрежимо мала по сравнению с концентрацией во входящем газе, т.е. колонна ФИО будет представлять собой узел полного перевода паров НТО из газовой в жидкую фазу.

Согласно предлагаемому способу поставленная цель решается использованием колонны ФИО, заполненной высокоэффективной спирально-призматической насадкой (СПН) из медной (или нержавеющей) проволоки. Техническая реализация способа проводилась на стенде, схема которого изображена на фиг. 2.

Основным элементом стенда является колонна ФИО диаметром 20 мм и высотой насадочного слоя 20 см - 3. Перечень остальных узлов установки представлен ниже: 4 - компрессор для подачи газа; 2 - перистальтический насос; 1 - напорная емкость с дистиллированной водой; 5 - приемная виала для жидкой пробы с НТО.

Целью проведенной серии экспериментов стало определение времени выхода колонны ФИО в стационарное состояние, степени детритизации потока газа и времени получения жидкой пробы для анализа сцинтилляционным методом. В ходе экспериментов газ с тритийсодержащими парами воды подавался компрессором (4) в колонну ФИО (3), на орошение которой насосом (2) подавалась вода природного изотопного состава. Стационарное состояние достигалось при установлении по всей колонне профиля концентрации трития и постоянной концентрации трития в приемной виале (5), периодической сменой которых отбирали воду для изотопного анализа. Концентрация трития определялась на жидкостном сцинтилляционном счетчике Tri-Carb 2810 TR. В результате было определено экспериментальное время выхода колонны в стационарное состояние.

Пример 1

В таблице 1 представлены экспериментальные данные по определению времени выхода колонны ФИО (3) в стационарное состояние.

Из таблицы 1 видно, что через 50 минут с момента пуска потока воздуха, содержащего пары тритированной воды в колонну ФИО 3 концентрация трития в виале 5 практически не изменяется, т.е. колонна выходит в стационарное состояние и готова выдавать адекватные жидкие пробы для анализа сцинтилляционным методом. Таким образом, через 50 минут после подачи потока газа и последующем подключении пустой виалы объемом 20 мл. к колонне ФИО 3 через 60 мин. будет готова жидкая проба объемом 20 мл. для анализа трития сцинтилляционным методом.

Пример 2

Условия и результаты проведенных испытаний представлены в таблице 2.

Результаты экспериментов показывают, что при потоке воздуха 0,5 м³/ч и потоке орошения колонны ФИО водой природного изотопного состава 20 г/час при температуре 19°С достигнута степень детритизации К=2915 и соответствующая ей степень извлечения трития 99,97%, т.е. практически весь тритий из газовой (паровой) фазы переходит в жидкую. Исходя из полученной степени детритизации по уравнению (2) с учетом значения λ=0,475 рассчитано количество теоретических ступеней разделения n=9,9 и величина h_э=20/9,9=2,02 см. Следовательно, для достижения степени извлечения трития из газовой среды в жидкую, близкой к 100%, достаточно иметь колонну ФИО с не более чем 10 теоретическими ступенями разделения.

Таким образом, заявляемый способ имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом:

1. Процесс отбора проб по заявляемому способу приводит к существенному сокращению времени. Так первая проба для анализа отбирается после 50 мин. с момента подачи газового потока и потока орошения воды в колонну ФИО (3), а каждые последующие через 60 минут (1 час) при потоке орошения равном 20 мл/час. Для прототипа время отбора пробы составляет 168 часов.

2. Процесс отбора проб по заявляемому способу позволяет оперативно контролировать динамику изменения концентрации трития в газовых средах, содержащих пары тритированной воды.