CN112117180B - 一种高凝固温度气态组分取样装置及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高凝固温度气态组分取样装置及取样方法，包括取样管、套管和气体流量控制系统；套管密封套装在取样管的外部；取样管用于对实验装置中产生的高温气体进行实时取样并将其送往质谱仪进行分析；取样管的管壁上设置有不同尺寸的保护气体流道，且保护气体流道与取样管的轴向呈一定角度，用以在取样管中构建螺旋流场；套管用于构建保护气体流通通道，结合取样管中不同尺寸的保护气体流道，从而能够通过控制不同位置的保护气流流量来保证螺旋流场的稳定。本发明可用于高温气态混合物取样，实现实验装置的实时取样分析，并可防止裂变产物与壁面接触吸附，可定量获得严重事故条件下裂变产物的释放瞬态数据，有效降低实验结果的不确定度。

Description

一种高凝固温度气态组分取样装置及取样方法

技术领域

本发明属于核电厂实验技术领域，具体涉及高凝固温度气态组分取样装置及取样方法，应用于严重事故条件下用于研究高温气体中各组分成分及份额。

背景技术

核电厂严重事故期间，反应堆堆芯熔化产生高温熔融物，高温熔融物熔化压力容器下封头并进入安全壳内部。高温熔融物中除燃料、结构材料外，还包含事故中放射性的主要来源-裂变产物。其中裂变产物包含氙、氪等裂变气体，碘、铯、溴等易挥发成分，钼、铑、钡等半挥发成分及锶、钇等低挥发成分。在高温条件下，除裂变气体外其余各种裂变产物同样会以气体或蒸汽形式从熔融堆芯中逐渐释放到外部环境中，从而导致放射性释放。裂变产物的释放与温度密切相关，熔融堆芯材料温度可达到2800℃以上，易挥发、半挥发组分均会存在较高的释放水平。而当温度下降时，各种组分的释放特性有明显变化。因此，在裂变产物释放的研究设备中，取样装置应当工作在高温条件下，并能准确分析各组分的成分与份额。现有的研究中，主要使用质谱仪对气体中各组分进行在线测量，但由于质谱仪的结构限制，其工作温度普遍在1300℃以下，与熔融池温度差距较大，难以获得更加精确的测量结果。

发明内容

为了有效降低严重事故中裂变产物释放特性实验研究的不确定性，为严重事故缓解措施的制定提供有力的支撑，本发明提供了一种高凝固温度气态组分取样装置。本发明的进口温度可以达到接近2500℃，可用于不同堆型和不同燃耗严重事故各种裂变产物释放特性实验中气体成分在线取样分析。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高凝固温度气态组分取样装置及取样装置，该取样装置包括取样管、套管和气体流量控制系统；

所述套管密封套装在所述取样管的外部；

所述取样管用于对实验装置中产生的高温气体进行实时取样并将其送往质谱仪进行分析；

所述取样管的管壁上设置有不同尺寸的保护气体流道，且所述保护气体流道与所述取样管的轴向呈一定角度，用以在所述取样管中构建螺旋流场；

所述套管用于构建保护气体流通通道，结合所述取样管中不同尺寸的保护气体流道，从而能够通过控制不同位置的保护气流流量来保证螺旋流场的稳定；

所述气体流量控制系统用于调整保护气体流量与取样气体流量比例。

本发明通过控制取样气体及保护气体流量，在取样管中构建特殊气体流场，防止气体中裂变产物与低温取样管接触并吸附于壁面，同时降低取样气体温度，保护后端分析设备，进而能够实现高温下裂变成产物的取样分析，裂变产物温度最高可达2500℃。

本发明通过设计了如下特殊结构的取样管以在取样管中构建特殊气体流场，并保证高温裂变产物不与取样管壁面发生接触吸附。

优选的，本发明的取样管的一端为取样接口，所述取样管的另一端为分析接口；

所述取样接口与实验装置的气体取样口相连接，所述分析接口与质谱仪相连接；

沿所述取样管的轴向方向在所述取样管的管壁上分层设置不同尺寸的保护气体流道孔结构，单层设置的保护气体流道孔结构包括在所述取样管的管壁周向均匀设置的多个流道孔。

优选的，本发明单层设置的保护气体流道孔结构包括在所述取样管的管壁周向均匀设置的6个流道孔，分别为底部气体流道孔、左下部气体流道孔、左上部气体流道孔、顶部气体流道孔、右上部气体流道孔、右下部气体流道孔。

优选的，本发明沿所述取样管的所述取样接口至所述分析接口方向各层保护气体流道孔结构中的流道孔直径逐渐增大，单层保护气体流道孔结构中的底部气体流道孔直径最大，下部气体流道孔、上部气体流道孔和顶部气体流道孔直径依次减小。

优选的，本发明的流道孔与所述取样管的轴向之间的角度为70～80°。

优选的，本发明的流道孔的直径与所述取样管的直径比例为1:4～1:6。

优选的，本发明的套管为两层套筒结构，其中外层为套管管壳，所述套管管壳的侧面设置有保护气体接口；内层为管状流量分配器，所述管状流量分配器的管壁上设置有多组流量分配孔；所述管状流量分配器与所述套管管壳之间设置有保护气体缓冲腔；

所述套管管壳一端设置有取样密封口，另一端设置有分析密封口；所述取样密封口的内壁能够与所述取样管的取样接口的外壁进行螺纹密封连接；所述分析密封口的内壁能够与所述取样管的分析接口的外壁螺纹密封连接；从而将所述取样管安装在所述管状流量分配器内。

本发明的套管通过螺纹密封结构与取样管相连接并密封，以防止保护气体泄漏。

优选的，本发明的气体流量控制系统与所述保护气体接口连接，通过控制组件控制保护气体流量，使得保护气体流量为取样气体流量的1.5～3倍。本发明通过气体流量控制系统来调整保护气体流量与取样气体流量的比例，从而保证裂变产物在保护气体中运动的稳定性。

另一方面，本发明还提出了一种基于如上所述的高凝固温度气体组分取样装置的取样方法，该方法包括：

将所述取样管的取样接口与实验装置中气体取样口相连接，所述取样管的分析接口与后端质谱仪相连接；

当裂变产物释放特性实验装置达到实验工况后，启动质谱仪同时气体流量控制系统开始提供保护气体，质谱仪在分析接口处形成负压环境，从而使实验装置中的高温气体进入取样管；

进行保护气体流量标定，获得该种实验工况下适用的保护气体流量；

依照标定程序开展实验测量，通过气体流量控制系统控制实现上述标定得到的保护气体流量，以保证实时取样过程中裂变产物吸附量小于要求值，进而实现裂变产物的取样分析。

优选的，本发明的保护气体流量标定过程如下：

调节保护气体流量并运行一段时间后，取出取样管并对取样管内壁成分进行分析，以获得壁面内部裂变产物的吸附量；

通过对不同保护气体流量条件下取样管壁面吸附量的试验，获得该种实验工况条件下适用的保护气体流量，即完成保护气体流量标定。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明涉及的取样装置可用于反应堆严重事故裂变产物释放特性实验研究。本发明可以针对高温下裂变产物进行取样分析，裂变产物温度最高可达2500℃。

本发明的取样装置可用于高温气态混合物取样，实现实验装置的实时取样分析，并可防止裂变产物与壁面接触吸附，可定量获得严重事故条件下裂变产物的释放瞬态数据，有效降低实验结果的不确定度。本发明可以降低高温气体温度，防止高温气体损坏质谱仪。

本发明可用于严重事故条件下燃料棒中裂变产物释放特性实验研究，为严重事故的管理及缓解措施的制定提供有力支撑，有利于提高新型大功率核电堆型安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的取样装置整体结构示意图。

图2为本发明的取样管结构示意图。左图为取样管的轴向剖视图，右图为取样管的径向截面图。

图3为本发明的套管结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1为取样管，1-1为取样接口，1-2为分析接口，1-3为保护气体流道孔结构，1-3-1为底部气体流道孔，1-3-2为左下部流道孔1-3-2，1-3-3为左上部流道孔，1-3-4为顶部流道孔，1-3-5为右上部流道孔1-3-2，1-3-6为右下部流道孔，1-4为取样口螺纹，1-5为分析口螺纹，2为套管，2-1为取样密封口，2-2为分析密封口，2-3为套管管壳，2-4为保护气体缓冲腔，2-5为管状流量分配器，2-6为流量分配孔，2-7为保护气体接口，2-8为取样密封螺纹、2-9为分析密封螺纹，3为气体流量控制系统。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

为了有效降低严重事故中裂变产物释放特性实验研究的不确定度，为严重事故缓解措施的制定提供有力的支撑，本实施例提出了一种高凝固温度气态组分取样装置。本实施例的取样装置通过控制取样气体及保护气体流量，在取样管中构建特殊气体流场，防止气体中裂变产物与低温取样管接触并吸附于壁面，同时降低取样气体温度，保护后端分析设备。

如图1所示，本实施例的取样装置包括：取样管1、套管2和气体流量控制系统3；

其中取样管1的取样端与实验装置上取样接口相连接，分析端与后端质谱仪相连接。取样管1上设置有保护气体流道，保护气体流道与取样管成一定角度，用以构建取样管中的螺旋流场，防止裂变产物与管道接触发生吸附。

套管2用于构建保护气体流通通道，结合取样管1中不同尺寸的保护气体流道，可以控制不同位置的保护气体流量，以保证流场的稳定，从而防止裂变产物与壁面接触吸附。套管2通过螺纹密封结构与取样管相连接并密封，以防止保护气体泄露。

气体流量控制系统3用于调整保护气体流量与取样气体流量比例，从而保证裂变产物在气体中运动的稳定。

本实施例的取样管1材质为氧化锆，根据实验需要，取样管可设计为不同直径，以满足不同实验中取样气体流量的要求。

具体如图2所示，本实施例的取样管1的一端为取样接口1-1，取样管的另一端为分析接口1-2；取样接口1-1外壁设置有取样口螺纹1-4，分析接口1-2外壁设置有分析口螺纹1-5。

取样接口1-1与实验装置的气体取样口相连接，分析接口1-2与质谱仪相连接。

沿取样管1的轴向方向在取样管1的管壁上分层设置不同尺寸的保护气体流道孔结构1-3，单层设置的保护气体流道孔结构1-3包括在取样管的管壁周向均匀设置的多个流道孔。本实施例单层设置的保护气体流道孔结构1-3包括在取样管的管壁周向均匀设置的6个流道孔，分别为底部气体流道孔1-3-1、左下部气体流道孔1-3-2、左上部气体流道孔1-3-3、顶部气体流道孔1-3-4、右上部气体流道孔1-3-5、右下部气体流道孔1-3-6，具体如图2的右图所示。

本实施例的气体流道孔与取样管的轴向之间的角度为70～80°；本实施例的气体流道孔直径与与取样管1的直径比例为1:4～1:6，且在取样管1轴向与周向的气体流道孔直径均有差异。沿取样管1的取样接口1-1至分析接口1-2方向(轴向)各层保护气体流道孔结构1-3中的流道孔直径逐渐增大，单层保护气体流道孔结构1-3中的底部气体流道孔1-3-1直径最大，下部气体流道孔(1-3-2、1-3-6)、上部气体流道孔(1-3-3、1-3-5)和顶部气体流道孔(1-3-4)直径依次减小；经过计算分析，底部气体流道孔1-3-1、下部气体流道孔(1-3-2、1-3-6)、上部气体流道孔(1-3-3、1-3-5)、顶部气体流道孔1-3-4直径比范围应在(2～1.5):(1.5～1):(0.8～0.6):(0.5～0.3)范围内。

如图3所示，本实施例的套管2为两层管状套筒结构，采用Inconel 600材质；其中外层为套管管壳2-3，套管管壳2-3的侧面设置有保护气体接口2-7；内层为管状流量分配器2-5，管状流量分配器2-5的管壁上设置有多组流量分配孔2-6；管状流量分配器2-5与套管管壳2-3之间设置有保护气体缓冲腔2-4，用于平衡保护气体压力。

套管管壳2-3一端设置有取样密封口2-1，另一端设置有分析密封口2-2；取样密封口2-1的内壁能够与取样管1的取样接口1-1的外壁进行螺纹密封连接；分析密封2-2口的内壁能够与取样管1的分析接口1-2的外壁螺纹密封连接(即在取样密封口2-1和分析密封口2-2上分别设置有取样密封螺纹2-8和分析密封螺纹2-9，与取样管上取样口螺纹1-4、分析口螺纹1-5相配合进行密封)；从而将取样管1安装在管状流量分配器2-5内。

本实施例的套管2通过螺纹密封结构与取样管相连接并密封，以防止保护气体泄漏。

本实施例的气体流量控制系统3与保护气体接口2-7连接，通过控制组件控制保护气体流量，使得保护气体流量为取样气体流量的1.5～3倍，从而保证裂变产物在保护气体中运动的稳定性。

本实施例的取样装置可实现低损耗2500℃以下的高温气态混合物取样，同时可降低质谱仪入口温度，以保证裂变产物释放实验中高温气体实时取样的要求。本实施例的取样装置使用常用材料，成本低廉，加工方便，易于安装操作，非常适合裂变产物释放特性研究。

实施例2

本实施例将上述实施例1提出的高凝固温度气体组分取样装置应用于不同堆型裂变产物释放实验装置中高温气体的实时取样分析，具体过程如下：

装配好的取样装置取样管1的取样接口1-1与实验装置中气体取样点相连接，分析接口1-2与后端质谱相连接。

在裂变产物释放特性实验装置达到实验工况后，启动质谱仪同时气体流量控制系统开始提供保护气体。

质谱仪在分析接口处形成负压环境，从而使实验装置中高温气体进入取样口。

此后调节保护气体流量并运行一段时间，随后取出取样管1对管内壁成分进行分析，以获得壁面内部裂变产物的吸附量。通过对不同保护气体流量条件下取样管1吸附值的试验，获得该种工况条件下适用的保护气体流量，完成保护气体流量标定。

此后开展实验测量，将待测样品加热达到实验温度后，通过气体流量控制系统调节保护气体流量，使得保护气体流量与标定保护气体流量相近，以保证实时取样过程中裂变产物吸附量小于要求值，进而实现裂变产物的取样分析。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，该取样装置包括取样管（1）、套管（2）和气体流量控制系统（3）；

所述套管（2）密封套装在所述取样管（1）的外部；

所述取样管（1）用于对实验装置中产生的高温气体进行实时取样并将其送往质谱仪进行分析；

所述取样管（1）的管壁上设置有不同尺寸的保护气体流道，且所述保护气体流道与所述取样管（1）的轴向呈一定角度，用以在所述取样管（1）中构建螺旋流场；

所述套管（2）用于构建保护气体流通通道，结合所述取样管（1）中不同尺寸的保护气体流道，从而能够通过控制不同位置的保护气流流量来保证螺旋流场的稳定；

所述气体流量控制系统（3）用于调整保护气体流量与取样气体流量比例；所述取样管（1）的一端为取样接口（1-1），所述取样管（1）的另一端为分析接口（1-2）；

所述取样接口（1-1）与实验装置的气体取样口相连接，所述分析接口（1-2）与质谱仪相连接；

沿所述取样管（1）的轴向方向在所述取样管（1）的管壁上分层设置不同尺寸的保护气体流道孔结构（1-3），单层设置的保护气体流道孔结构（1-3）包括在所述取样管（1）的管壁周向均匀设置的多个流道孔。

2.根据权利要求1所述的一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，单层设置的保护气体流道孔结构（1-3）包括在所述取样管（1）的管壁周向均匀设置的6个流道孔，分别为底部气体流道孔（1-3-1）、左下部气体流道孔（1-3-2）、左上部气体流道孔（1-3-3）、顶部气体流道孔（1-3-4）、右上部气体流道孔（1-3-5）、右下部气体流道孔（1-3-6）。

3.根据权利要求2所述的一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，沿所述取样管（1）的所述取样接口（1-1）至所述分析接口（1-2）方向各层保护气体流道孔结构（1-3）中的流道孔直径逐渐增大，单层保护气体流道孔结构（1-3）中的底部气体流道孔直径最大，下部气体流道孔、上部气体流道孔和顶部气体流道孔直径依次减小。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，所述流道孔与所述取样管（1）的轴向之间的角度为70~80°。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，所述流道孔的直径与所述取样管的直径比例为1:4~1:6。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，所述套管（2）为两层套筒结构，其中外层为套管管壳（2-3），所述套管管壳（2-3）的侧面设置有保护气体接口（2-7）；内层为管状流量分配器（2-5），所述管状流量分配器（2-5）的管壁上设置有多组流量分配孔（2-6）；所述管状流量分配器（2-5）与所述套管管壳（2-3）之间设置有保护气体缓冲腔（2-4）；

所述套管管壳（2-3）一端设置有取样密封口（2-1），另一端设置有分析密封口（2-2）；所述取样密封口（2-1）的内壁能够与所述取样管（1）的取样接口（1-1）的外壁进行螺纹密封连接；所述分析密封口（2-2）的内壁能够与所述取样管（1）的分析接口（1-2）的外壁螺纹密封连接；从而将所述取样管（1）安装在所述管状流量分配器（2-5）内。

7.根据权利要求6所述的一种高凝固温度气态组分取样装置，其特征在于，所述气体流量控制系统（3）与所述保护气体接口（2-7）连接，通过控制组件控制保护气体流量，使得保护气体流量为取样气体流量的1.5~3倍。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的高凝固温度气态组分取样装置的取样方法，其特征在于，该方法包括：

将所述取样管（1）的取样接口（1-1）与实验装置中气体取样口相连接，所述取样管（1）的分析接口（1-2）与后端质谱仪相连接；

当裂变产物释放特性实验装置达到实验工况后，启动质谱仪同时气体流量控制系统（3）开始提供保护气体，质谱仪在分析接口（1-2）处形成负压环境，从而使实验装置中的高温气体进入取样管（1）；

进行保护气体流量标定，获得该种实验工况下适用的保护气体流量；

依照标定程序开展实验测量，通过气体流量控制系统控制实现上述标定得到的保护气体流量，以保证实时取样过程中裂变产物吸附量小于要求值，进而实现裂变产物的取样分析。

9.根据权利要求8所述的取样方法，其特征在于，所述保护气体流量标定过程如下：

调节保护气体流量并运行一段时间后，取出取样管（1）并对取样管（1）内壁成分进行分析，以获得壁面内部裂变产物的吸附量；

通过对不同保护气体流量条件下取样管（1）壁面吸附量的试验，获得该种实验工况条件下适用的保护气体流量，即完成保护气体流量标定。

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