一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置及其除氚方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氚阱裝置，具體涉及的是一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置，以及利用該氚阱裝置除去氦-3氣體中氚的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在核電站的整個壽期內(nèi)，由于反應(yīng)性控制可能造成燃料元件局部或整體的功率躍增。對高燃耗燃料結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)態(tài)輻照試驗時元件不會破損，但在功率躍增條件下則有可能發(fā)生破損。因此，燃料元件堆內(nèi)瞬態(tài)行為試驗是研宄高性能燃料組件在1、II類工況下保持其完整性的重要步驟。
[0003]氦-3回路是開展高性能燃料元件在功率躍增工況下的安全性和可靠性試驗的重要環(huán)節(jié)，這種試驗是不可能在動力堆上進行的，一般的方法是在研宄堆上模擬各種功率變化方式，取得燃料行為數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，從而設(shè)計合理的參數(shù)或限制運行模式來提高燃料元件的安全性。
[0004]氦-3回路能利用氣體吸收體在不改變試驗堆功率的情況下快速、均勻地改變單個試驗燃料元件輻照功率，且氦-3回路的變化速度和幅度容易控制，因此成為多數(shù)國外研宄堆進行功率躍增試驗的方法。氦-3是較大中子吸收截面的氣體吸收體，基于氦-3氣體密度與吸收中子特性成比例，可通過壓縮或卸壓改變?nèi)剂显車h(huán)屏管中氦-3氣體的壓力，從而改變氣體中子吸收體濃度，控制輻照試驗中燃料元件的瞬態(tài)功率。因此氚鈦反應(yīng)是在一個較大壓力范圍內(nèi)進行，氦-3回路的壓力變化范圍為可達到0.15?4.5MPa。
[0005]并且在氦-3回路中，氦-3氣體在堆內(nèi)吸收中子通過(n，P)反應(yīng)會產(chǎn)生放射性氚。氚具有高的擴散性和危害性，難以防護，而且對氚的環(huán)境排放要求很高，因此設(shè)計“除”氚裝置對整個試驗回路的安全具有很重要的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有氦-3回路中產(chǎn)生的放射性氚難以捕集和防護的問題，針對燃料元件功率瞬態(tài)試驗氦-3回路提供一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置，本發(fā)明還提供了該一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置的除氚方法。
[0007]由于氦-3回路在國內(nèi)沒有建成，尚未有可借鑒的經(jīng)驗，國外僅有幾個發(fā)達國家掌握了此項技術(shù)，且該技術(shù)屬于核心技術(shù)，公開的氚阱詳細設(shè)計資料非常少。為了攻克氦-3回路裝置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，具備立足國內(nèi)對氦-3回路的關(guān)鍵設(shè)備進行設(shè)計和制造能力，發(fā)明人依據(jù)氚的產(chǎn)量、氚鈦化學(xué)反應(yīng)、溫度、壓力、還有氚衰變氦釋放等因素，設(shè)計了氚阱對氦-3回路進行功率調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的氚進行去除的裝置，該裝置對保證氦-3回路的安全性和功率躍增試驗的成功進行具有非常重要的作用。
[0008]為解決上述缺點，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置，包括外層殼體，位于外層殼體內(nèi)部的內(nèi)層殼體，出氣端端口位于內(nèi)層殼體內(nèi)部下方的進氣管，固定在內(nèi)層殼體內(nèi)部的加熱腔體，設(shè)置在進氣管的出氣端端口上方且填充于加熱腔體與內(nèi)層殼體之間的海綿鈦，設(shè)置在內(nèi)層殼體內(nèi)部且位于海綿鈦上方的膨脹預(yù)留空間，以及進氣端端口位于膨脹預(yù)留空間內(nèi)的出氣管。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)中除氚器是采用的催化氧化-吸附除氚法，該方法是把氦-3氣體中的氚氧化為氚化水，再通過干燥劑床被吸附除去，在此過程中，氚化水蒸汽或液體可能擴散，導(dǎo)致氦-3氣體中依然有氚存在。本發(fā)明選擇海綿鈦作為除氚材料，解決了上述問題。即，通過氚與海綿鈦在高溫條件下反應(yīng)后，海綿鈦有效將氣體狀的氚生成固態(tài)氚鈦化合物，進而防止氚再次擴散到氦-3氣體中，有效使氚從氦-3氣體中分離出來。因而，本發(fā)明適用于高溫高壓的氦-3氣體環(huán)境。
[0010]當前廣泛使用的貯氚容器一般選用貧化鈾或ZrCo，雖然吸氚反應(yīng)溫度很低，但生成的氚化物在遇見空氣極易著火，不適合在氦-3回路長期運行的需要。同時由于氦-3氣體是循環(huán)流過氚阱進行除氚的，因此氦-3氣體通過氚阱時的氣體阻力必須較小，而貧化鈾或ZrCo床是固體結(jié)實材料，氣體阻力較大。本發(fā)明選擇海綿鈦作為除氚材料，其屬于疏松結(jié)構(gòu)，氣體流過的阻力比較小，同時生成的氚化鈦穩(wěn)定性很好，在室溫下空氣中不會自燃，著火溫度最小也要400°C以上，與水也不發(fā)生反應(yīng)，這樣可以保證氦-3回路在長期正常運行的安全和在事故狀態(tài)下不發(fā)生大的危險。因此，本發(fā)明適用于氦-3回路的循環(huán)運行和安全要求。
[0011]本發(fā)明中由于高壓氦-3回路中氚的釋放和材料氦脆很嚴重，則需要充分考慮氚包容的有效性問題，通過外層殼體和內(nèi)層殼體的雙層設(shè)置，可有效解決上述問題。即，本發(fā)明采用雙層包套結(jié)構(gòu)，氚阱的內(nèi)層殼體形成氚的初級包容系統(tǒng)，當內(nèi)層殼體因氦脆失效時，瞬間釋放的氚阱進入雙層包套結(jié)構(gòu)的外層殼體，構(gòu)成氚的次級包容屏障。
[0012]同時，通過外層殼體和內(nèi)層殼體的雙層設(shè)置，本發(fā)明非常適用于高壓氚源在連續(xù)較長時間下運行，通過該設(shè)置可有效減少由外殼滲透入環(huán)境的氚量，即減少了放射性氚的釋放量，運行時安全性高。本發(fā)明由于氚阱使用頻繁，且在較高溫度和壓力下工作，因此采用雙包套包容方式，極大地減小了氚的高溫高壓滲透。即，本發(fā)明中的外層殼體既起到保溫絕熱的作用，又能形成氚的第二層包容屏障，效果十分顯著。
[0013]本發(fā)明中由于海綿鈦氫化時會發(fā)生體積膨脹，可能產(chǎn)生強大的膨脹應(yīng)力撐破內(nèi)層殼體，因而基于上述原因，本發(fā)明在海綿鈦上方內(nèi)層殼體內(nèi)的頂部設(shè)置有膨脹預(yù)留空間，由于太大的自由空間會增大氦-3氣體的容積，本發(fā)明中該膨脹預(yù)留空間優(yōu)選為預(yù)留25%的自由空間。
[0014]由于氚屬于強滲透放射性核素，在氚阱的加熱腔體以及內(nèi)層殼體的壁體上利用化學(xué)氣相沉積法制備設(shè)置一層2?2.5um的Al2O3陶瓷涂層，提高其高溫高壓抗氚滲透能力。
[0015]作為一種優(yōu)選地設(shè)置方式，所述外層殼體和內(nèi)層殼體之間呈真空設(shè)置或/和填充有保溫材料。即，本發(fā)明的外層殼體和內(nèi)層殼體之間放置微孔硅酸鈣絕熱層，并抽成一定真空，以增加其絕熱效果，同時可減少氚外泄。
[0016]由于海綿鈦吸氚一定時間后還會粉末化并伴隨產(chǎn)生細小的氧化物顆粒，這些氧化顆粒會隨系統(tǒng)中氣體的流動擴散到整個氦-3回路中，進而引起氚污染擴散。因而，本發(fā)明在所述出氣管上還設(shè)置有氣體過濾器，為了達到最好地效果，該進氣管上也設(shè)置有另一氣體過濾器。
[0017]所述內(nèi)層殼體內(nèi)部底端設(shè)置有氣體分布器，該氣體分布器位于海綿鈦下方、進氣管的出氣端端口上方。本發(fā)明中氣體分布器的設(shè)置，有效對氦-3氣體進行分散，即當含氚的氦-3氣體通過海綿鈦時，避免氣體通過海綿鈦時發(fā)生偏流的情況，有效得到高的吸附除氚效率，并提高本發(fā)明中設(shè)備的使用壽命。
[0018]進一步，所述進氣管的出氣端端口從外層殼體頂部延伸入內(nèi)層殼體內(nèi)并從內(nèi)層殼體頂端貫穿海綿鈦后延伸到氣體分布器下方。通過進氣管貫穿海綿鈦的設(shè)置，可有效對進入海綿鈦內(nèi)的氣體進行預(yù)熱，進而有效避免常溫含氚的氦-3氣體直接進入反應(yīng)室，以引起鈦的異常膨脹和β相變。本發(fā)明可先將含氚氣體預(yù)熱到約40°C?70°C，再進入海綿鈦中與鈦反應(yīng)，從而有效保證海綿鈦反應(yīng)室能嚴格控制工作溫度條件，有利于提高反應(yīng)室的使用壽命。
[0019]更進一步，所述出氣管的進氣端端口從外層殼體的頂部延伸入內(nèi)層殼體內(nèi)，該外層殼體外部的進氣管和出氣管上還分別設(shè)置有一個閥門，該外層殼體外部頂端還設(shè)置有防護帽。該防護帽的設(shè)置是為了方便氚阱在運輸和退役過程中，有效保護頂部結(jié)構(gòu)，防止閥門失效引起氚的泄露。本發(fā)明中進氣管和出氣管上的閥門位置應(yīng)離外層殼體表面有一定距離，減少由于吸氚過程的熱傳遞。該閥門應(yīng)使用緊湊型閥，進而減小閥的尺寸。
[0020]為了進一步避免氣體通過海綿鈦時發(fā)生偏流的情況，同時防止海綿鈦吸氚粉末化后落入內(nèi)層殼體下部，堵塞進氣管下端口 ；所述氣體分布器上方設(shè)置有用于放置海綿鈦的絲網(wǎng)。
[0021]本發(fā)明中的氚阱采用的是全金屬結(jié)構(gòu)，盡可能采用焊接連接方式，保證設(shè)備的密封性。考慮到系統(tǒng)維修維護的需要，內(nèi)層殼體下端為不宜用焊接連接方式連接的部位，因而采用金屬密封墊片法蘭連接，即，所述絲網(wǎng)和氣體分布器之間的內(nèi)層殼體上設(shè)置有內(nèi)殼連接縫，所述防護帽與外層殼體之間以及內(nèi)殼連接縫上均分別通過法蘭連接，所述法蘭的連接處還設(shè)置有金屬密封墊片。該金屬密封墊片需避免使用抗氚輻照性能較差的有機成彈性密封材料。
[0022]一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置的除氚方法，包括以下步驟:
(1)通過進氣管將氦-3氣體預(yù)熱后通入到內(nèi)層殼體的內(nèi)部下方，預(yù)熱后溫度達到40°C?70°C ；
(2)氦-3氣體通過海綿鈦，海綿鈦與氦-3氣體中的氚在370°C?400°C條件下反應(yīng)生成固態(tài)氚鈦化合物；
(3)該固態(tài)氚鈦化合物從該氦-3氣體中分離后即完成除去氦-3氣體中氚的過程。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果:
1、本發(fā)明通過海綿鈦的設(shè)置可有效滿足氦-3回路中高溫、高壓的條件，在不影響氦-3回路的同時，該設(shè)置可有效捕集氦-3氣體中的氚、固化氚，保證試驗回路中氦-3氣體的純度，對燃料元件堆內(nèi)瞬態(tài)試驗的實現(xiàn)具有重要作用；
2、本發(fā)明中選擇海綿鈦作為除氚材料，它屬于疏松結(jié)構(gòu)，氦-3氣體流過的阻力比較小，適合氦-3回路循環(huán)除氚的需要；同時生成的氚化鈦穩(wěn)定性好，在室溫下空氣中不會自燃，與水也不發(fā)生反應(yīng)，適用于氦-3回路長期運行的安全；
3、本發(fā)明中雙包套包容方式，當內(nèi)層殼體因氦脆失效時，瞬間釋放的氚進入雙層包套結(jié)構(gòu)的外層殼體，構(gòu)成氚的次級包容屏障，有效防止放射性氚釋放到環(huán)境中，進一步提高環(huán)境安全性能；同時，該雙包套包容方式適于在較高溫度和壓力下工作，便于氚阱裝置的頻繁使用；
4、本發(fā)明中氚阱裝置使用內(nèi)層殼體內(nèi)部的加熱腔體進行加熱，外層殼體保溫的方式，結(jié)構(gòu)緊湊，熱損失??；
5、設(shè)計安全、緊湊和高效的氚處理設(shè)備，效果十分顯著。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]其中，圖中附圖標記對應(yīng)的零部件名稱為:
I 一外層殼體，2 —內(nèi)層殼體，3 —氣體分布器，4 一進氣管，5 —加熱腔體，6 —海綿鈦，7 一膨脹預(yù)留空間，8 —出氣管，9 一保溫材料，10 —閥門，11 一防護帽，12 —絲網(wǎng)，13 —法.~~.0
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例及其附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0027]實施例1
一種用于去除氦-3氣體中氚的氚阱裝置，如圖1所示，包括外層殼體1，位于外層殼體I內(nèi)部的內(nèi)層殼體2，出氣端