新型环境空气中放射性惰性气体浓度测量技术的研究_唐振波.pdf
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1、环境保护-42-新型环境空气中放射性惰性气体浓度测量技术的研究唐振波1,方灿琦2,曹明月2,李 海2,何帅兴2(1.常州环宇信科环境检测有限公司,江苏 常州 213022;2.杭州湘亭科技有限公司,浙江 杭州 311100)摘要:国际上放射性核素监测系统主要用于大气层核试验的监测,其放射性惰性气体监测台站网在监测水下核试验,规避性大气层核试验(如大雨情况下进行)和泄漏量较大(10%以上)的地下核试验中发挥着重要作用,但不能监测封闭性较好的地下核试验。放射性惰性气体氙是核试验和反应堆核事故泄漏释放的主要气态流出物之一。通过研究惰性气体氙的取样测量组合系统,基本实现了低浓度氙的高效监测。关键词:放
2、射性惰性气体;惰性气体氙;气体浓度测量中图分类号:TS5 文献标志码:A DOI:10.20025/ki.CN10-1679.2023-02-14Study on New Measurement Technology of Radioactive Inert Gas Concentration in Ambient AirTang Zhenbo1,Fang Canqi2,Cao Mingyue2,Li Hai2,He Shuaixing2(1.Changzhou Huanyu Xinke Environmental Testing Co.,Ltd.,Changzhou 213022,China
3、;2.Hangzhou Xiangting Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 311100,China)Abstract:The international radionuclide monitoring system is mainly used for the monitoring of atmospheric nuclear tests,its radioactive inert gas monitoring station network plays an important role in monitoring underwater nuclear tests
4、,avoidance atmospheric nuclear tests(such as heavy rain)and underground nuclear tests with large leakage(more than 10%),but underground nuclear tests with good sealing cannot be monitored.Xenon,a radioactive inert gas,is one of the main gaseous effl uents released from nuclear tests and nuclear acci
5、dents.The high-effi ciency monitoring of low-concentration xenon was basically realized by developing the sampling and measurement system of inert gas xenon.Key words:radioactive inert gas;inert gas xenon;gas concentration measurement国际上放射性核素监测系统主要用于大气层核试验的监测,其放射性惰性气体监测台站网在监测水下核试验,规避性大气层核试验(如大雨情况下进行
6、)和泄漏量较大(10%以上)的地下核试验中发挥着重要作用,但封闭性较好的地下核试验不能监测。如何开发适用的监测技术是具有很强的实用价值的。放射性惰性气体氙是核试验和反应堆核事故泄漏释放的主要气态流出物之一,放射性氙测量技术具有极高的灵敏度,可用于检测可疑核爆炸事件。通过分析133Xe在大气中吸附富集后的活度变化可监测全球核爆炸事件。由于放射性氙同位素在大气中含量极低,必须先进行高效富集,然后分离纯化,才能得到符合放射性测量要求的氙样品。本研究拟通过以低辐射计数法、加速器质谱法和原子阱痕量检测技术为基础的检测技术,开发长寿命放射性惰性气体Xe同位素快速、高效检测的技术1。1氙取样测量系统的原理取
7、样子系统主要利用吸附富集和脱附纯化技术,将大气中极痕量的放射性氙进行富集纯化,然后通过测量放射性氙产生的和射线来给出活度结果,最后结合气相色谱给出的氙量结果计算最终的活度浓度结果。2氙取样系统的设计为了同步实现氙取样和测量功能,为氙取样系统 设计一套监控系统,要求实时采集温度、压力、真空度、流量、气体浓度等过程量,具备实时显示、存储、曲线显示、历史数据查询等功能,根据流程工艺需求控制气动阀、压缩机、冷水机、干式真空泵等设备的启停。具备实时检测设备运行状态,出现意外情况进行报警功能。氙取样测量系统包括采取组件、空气预处理组件、膜分离组件、制冷单元、多级吸附浓缩组件、TCD测量、收集再生组件。氙取
8、样流程见图1。采样组件由空气压缩机、压力测量和缓冲罐组成。空压机作为系统的动力源,从大气环境中取气,为后端提供原料气。为稳定系统压力,经压缩的气体先经过缓冲罐缓冲压力,随后进入下一操作阶段。空气预处理组件作用为去除空气中的水分、油分、颗粒杂质等,主要包含三级过滤器和冷干机。其中三级过滤器主要用来过滤样品气中的油分、颗粒物。冷干机用来对样品组件进行 第一作者简介:唐振波(1982-),男,本科,工程师,研究方向:辐射环境监测、辐射监测仪器研究.环境保护-43-干燥除水,选用冷干机大气露点约-25,无需更换。三级过滤器杂质过滤精度高达99.99%以上,经三级超精密过滤器后原料气中油分含量低至0.0
9、05 mg/m32。膜分离组件主要作用为除去原料气中的氧气、二氧化碳、氢气、微量水,关键设备为半透膜。原料气经过半透膜后,利用渗透速率的不同,渗透率大的气体被排放出去,比如绝大部分的氧气、二氧化碳、氢气和水汽,其余气体如氮、氩、氪、氙、氡,则由尾气端进入装填有4A分子筛的干燥柱体,除去残余的微量水分,然后进入下一浓集阶段。经过膜分后的样品气在进入多级吸附柱之前需进行降温,基于活性炭对氙在低温下的吸附效果更好,则采用低温冷冻机将样品气温度降低至-80 至-100,再进入一级吸附柱进行吸附。多级吸附组件是对样品气进行深度浓集和进一步去除氧、氮、氪、氡等杂质气体。吸附组件的核心为活性炭吸附柱,柱内装
10、填活性炭吸附材料,对样品气进行吸附。主要吸附气体为氪、氙、氡,其余不被吸附的气体通过尾气支路排空。TCD组件用于对经过浓缩提纯的样品气体进行色谱分析。在正式测量样品中氙气浓度之前,需要配置若干已知浓度的Xe标准气体样品,以便对色谱工作站进行标样刻度。Xe标气由专业供方进行配气,一组标准样品应该包括与样品气中Xe组分浓度等量级的标准气体。标准气注入标准柱,经过色谱检测后所获出峰图谱被色谱工作站记录,此图谱作为正式样品气体测量时的出峰时序参比。采购成熟的气相色谱分析仪器,用外部氦气源载带样品气体进入色谱仪器,通过与标气标定的出峰结果进行在线监测对比,分析出样品中氙气的浓度,并对结果进行保存3。当氙
11、经过色谱工作站检测后,预先判定好在氙出峰的时间段内,用外部氦气源把解析后的氙直接推送入取样瓶中,从而完成氙的收集。其余不需要的气体经由排空阀门排出。各吸附柱在使用前要进行完全再生活化处理,用以排除柱腔内残余杂质气体,此步骤需要配套相应的真空再生组件。真空再生组件由干泵以及相应的再生阀门组成。考虑到吸附柱活化及再生所需,需配置一台真空泵以满足吸附柱活化再生的需求。当系统中的吸附柱需要彻底再生时,要对吸附柱进行加热处理,加热温度为350,同时打开相应的再生阀门V24、V11、V27,对各吸附柱进行抽空处理,使整个吸附柱实现彻底解析再生。以上步骤完成后,准备进行下个样品的操作。图1惰性气体Xe取样流
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