放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统研制

放射性氙监测是禁核试核查现场视察和核设施安全监测的重要项目之一,能够快速准确地甄别违约核活动和预警识别核设施的泄漏。本文综合运用超低温动态吸附、中空纤维膜除杂和现场低本底测量等技术,研制了一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,用于放射性氙现场取样、分离和测量。测试结果表明,该系统在氡浓度为20 Bq/m^(3)、采样体积为2 m^(3)、分析周期不大于120 min时,氙回收率为79.9%,对^(133) Xe的最小可探测活度浓度(MDC)小于0.26 Bq/m^(3),测量结果的不确定度小于±12%。该系统具有灵敏度高、分析周期短、全流程自动化的特点,能够应用于核设施安全监测、现场视察放射性氙监测、核应急放射性气体监测等场合。

氙同位素丰度参考气制备方法研究

氙同位素丰度比高精度质谱分析技术强烈依赖于氙同位素丰度参考气,参考气的准确制备是关键技术。研究分析了高纯^(128)Xe同位素气体原料中杂质同位素的丰度,采用重量法制备了丰度为80%、91%和92%的^(128)Xe同位素丰度参考气,评定了参考气制备过程引入的不确定度,并采用稀有气体同位素质谱仪对制备的参考气进行验证。结果表明,^(128)Xe同位素丰度参考气制备过程引入的扩展不确定度为0.7%(k=2),制备值与验证值的偏差小于0.2%,表明制备的^(128)Xe同位素丰度参考气量值准确可靠,该同位素丰度参考气能够满足实验室分析质量控制的要求。

圆管内氦氙混合气体与超临界二氧化碳换热特性对比分析

小型化、高紧凑反应堆系统是陆上多用途能源供给的研究重点,直接热-动循环下的能量转换对冷却剂工质选型提出极高要求。为了明确氦氙混合气体、超临界二氧化碳的工质适用性,本文采用数值模拟方法,对二者在圆管内的换热特性进行计算,对比了2种冷却剂的物性,分析了不同加热功率、入口速度、入口温度对冷却剂换热系数的影响,拟合提出了2种冷却剂工质圆管内换热的经验模型。研究结果表明:反应堆在加热功率超过100 kW/m~2、入口流速大于10 m/s下,对流换热系数较大;氦氙混合气体入口温度在1 000~1 200 K、超临界二氧化碳在入口温度550~600 K附近时,对流换热系数存在极大值;在高雷诺数区(Re>10~4),2冷却剂的修正关系式与计算值吻合良好。本文计算能够为新型反应堆开发提供数据及模型基础。

HKUST-1颗粒对低浓度氙氪混合气体动态吸附分离性能的研究

低浓度放射性氙(Xe)和氪(Kr)混合气的吸附分离对于其核数据的准确测量以及核设施放射性废气的净化具有重要意义。本文采用聚乙烯醇作为粘结剂制备了HKUST-1颗粒样品。HKUST-1颗粒样品的抗压测试结果表明,其具有较高的抗压强度。HKUST-1粉末样品和颗粒样品的Xe(Kr)静态吸附数据表明,在0℃或25℃吸附温度下,HKUST-1粉末样品和颗粒样品低吸附压力下的Xe(Kr)吸附量、Xe(Kr)亨利系数以及Xe/Kr亨利选择性基本相同;造粒后颗粒样品的Xe(Kr)零点等量吸附热较造粒前减小。采用动态穿透曲线法研究了HKUST-1颗粒样品在25℃和100 kPa下分离低浓度Xe和Kr(Xe 50 ppm、Kr 50 ppm)的性能。结果表明,HKUST-1颗粒样品可实现低浓度的Xe/Kr分离,Xe穿透(c/c 0=0.02)时的Xe动态吸附量和相应的Xe/Kr动态吸附选择性随瞬时进样流量的增大而增大,Xe(Kr)饱和吸附量及相应的Xe/Kr动态吸附选择性在不同瞬时进样流量下基本保持不变。惠勒-琼斯方程对Xe穿透曲线初始部分(c/c 0≤0.02)的非线性拟合结果表明,该方程可用于预测Xe在HKUST-1颗粒吸附柱上穿透的初始阶段。

β-γ 符合的低本底放射性氙测量技术研究

研制了一套高灵敏度气体氙放射性同位素探测装置,配合前端化学处理单元,实现对大气中的氙放射性同位素的自动监测。系统采用β-γ复合测量技术,降低了本底,并基于双高纯锗探测器(HPGe)和钝化离子注入平面硅气体探测盒(PIPSBOX),设计夹心式HPGe/PIPSBOX/HPGe探测器结构,提高了系统的探测效率。研究使用点源对HPGe探测器和PIPSBOX探测器能量、分辨率刻度,并使用体源结合Geant4模拟对探测器的探测效率进行刻度。最终预期对133Xe核素的最小可检测活度浓度(MDC)约为0.178 mBq/m^(3)。

氦氙气冷反应堆系统无保护控制事故安全分析

小型氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统作为第4代先进反应堆,具有轻质、紧凑、系统简单和启停迅速等优点,十分适合用于偏僻地区和岛屿的能源供应。基于Modelica语言通过对各关键设备进行模块化动态建模,开发了氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统分析程序,并进行程序可靠性验证。模拟了系统稳态工况和事故瞬态变工况,重点分析了反应性引入和容积控制系统错误投入等瞬态工况的动态响应特性。结果表明:系统分析程序仿真结果较为合理,系统具有一定自稳、自调能力,需采取措施控制转子转速下降速率。本文结果可为氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统的安全特性分析提供理论基础。

新型172 nm氙准分子消毒器应用研究

文章开展172 nm氙准分子消毒器消毒灭菌测试研究,旨在为正确使用消毒器提供支撑。按照消毒程序开启消毒器,采用不同浓度测试活氧浓度、自然菌及白色葡萄球菌等的消毒灭菌效果并进行对比;实际使用高污染量的中药饮片进行灭菌前后的微生物对比,以说明消毒灭菌效果。使用消毒器灭菌,低浓度适当延长消毒时间,可使空气中的微生物消亡率达到90%以上;在高浓度条件下,很短时间就可达到99%以上的微生物消亡率;同时可在人机共处的环境下消毒灭菌,对中药饮片污染菌消毒效果好。氙准分子消毒器消毒灭菌高效、安全、环保,值得推广和应用。

氪氙精制装置催化撬换热系统改造优化技术

针对氪氙精制催化撬装置,经过实际运行与设计数据相对比,发现吸附器的进口温度远高于设计值,尤其是在夏季,氪氙的产能低于冬季,主要原因是前端的回热器出口温度高和氧气冷却器换热效果差。为了增加氪氙产能,对回热器进行改造,原绕管式改为双绕管结构,同时置换氧气冷却器,改用低温氮气提供冷源,达到降低吸附器进口温度、降低催化撬吸附器的切换周期、降低氪氙的放空次数的目的,进而提高了氪氙的产能。

氙的超低温动态吸附特性

变温吸附是氙富集的重要手段,温度是影响氙吸附能力的重要因素。设计了超低温动态吸附实验平台,基于该实验平台研究了在-110~-60℃范围内碳分子筛对氙的吸附性能,并分析了-110℃下氙体积分数、气体流速、柱前压和柱内径对氙吸附性能的影响。结果表明,在-110℃下,氙体积分数和气体流速对氙的动态吸附系数影响最显著,柱前压和柱内径在一定范围内对吸附剂性能影响不大。

空间堆氦氙布雷顿循环研究进展

氦氙混合物为工质的布雷顿循环具有循环效率高、系统结构紧凑、化学稳定性好等优势,适合作为空间核反应堆的能量转换系统。在深入调研空间堆氦氙布雷顿循环发展历史和国内外研究进展的基础上,对其关键技术问题和重点研究方向的相关研究进展进行了综述,发现主要研究方向包括氦氙混合物工质特性、氦氙布雷顿循环关键部件、循环性能提升、循环动态特性及控制策略等方面;而有待继续深入研究的关键技术问题包括不同比例氦氙工质的高精度物性及流动传热模型、高性能叶轮及高效紧凑式换热器设计及试验、不同功率等级下系统全工况优化、耦合反应堆的系统全局动态特性及控制策略等。分析结果可为推动空间堆氦氙布雷顿循环技术发展提供参考。

HKUST-1和Co-MOF-74颗粒的稳定性及其分离低浓度氙氪的实验研究

Xe和Kr的分离对放射性Xe同位素活度的准确测量具有重要意义。为研究HKUST-1和Co-MOF-74在核数据测量用气体源制备工况条件下的稳定性及其分离低浓度Xe和Kr的性能,本文首先使用粘结剂聚乙烯醇对HKUST-1和Co-MOF-74粉末样品进行造粒,并表征了造粒前后HKUST-1和Co-MOF-74样品的晶体结构,分析了造粒过程对晶体结构的影响;然后采用静态吸附法测定了N 2、Xe和Kr在粉末样品和颗粒样品上的吸附等温线;随后研究对比了粉末样品和颗粒样品的水稳定性、热循环稳定性和γ射线辐照稳定性;最后采用固定床吸附-脱附法开展了HKUST-1颗粒样品分离低浓度Xe和Kr的初步研究。结果表明:使用聚乙烯醇粘结剂造粒未对HKUST-1和Co-MOF-74粉末的晶体结构造成明显损伤,HKUST-1和Co-MOF-74颗粒样品的BET比表面积较造粒前分别减小11%和6%;HKUST-1和Co-MOF-74样品造粒前后在25℃时对低压下的Xe(Kr)吸附量基本相同,HKUST-1和Co-MOF-74颗粒样品的Xe/Kr亨利选择性分别为9.70和9.15;HKUST-1颗粒样品的水稳定性和热循环稳定性好于Co-MOF-74颗粒样品,HKUST-1和Co-MOF-74颗粒样品均具有良好的耐γ射线辐照性能;采用固定床吸附-脱附法,HKUST-1颗粒样品可将低浓度的Xe和Kr分离,Xe和Kr的柱分离度为0.96。

多接收电感耦合等离子体质谱测定氙同位素比值研究

核爆炸产生的氙(Xe)同位素是全面禁止核试验条约的重要监测对象。该文建立了大气气溶胶中Xe同位素比值的多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)分析方法。通过研发Xe的富集纯化平台,使用高纯氩气(99.999%)为载体,有效降低了大气气溶胶中残留颗粒物和有机物对质谱测量的影响。为提高信号稳定性,建立了MC-ICP-MS专用Xe气体进样系统,通过活性炭吸附质谱样品气的Xe、气体进样系统烘烤和抽真空2 h等措施,有效降低了记忆效应和系统本底,129Xe的本底信号强度从3.0×10-2 V降至小于2.7×10-3 V,Xe本底对样品比值测量的影响小于万分之一。采用标准样品交叉法校正质量分馏效应,在24 h内穿插测量7次Xe质控标样,Xe同位素比值测量精密度小于0.09%,对130Xe/131Xe和132Xe/131Xe测量精密度小于0.008%,测量结果与参考值在不确定度范围内一致。采用该方法有效鉴别了Xe同位素组成存在差异的实际样品。该文建立的Xe同位素比值的MC-ICP-MS测量技术精密度高,结果准确,可为Xe监测事件识别及溯源等研究提供可靠数据。

西安脉冲堆氙、钐反应性分析

对西安脉冲堆裂变产物中毒进行了深入地分析研究。利用脉冲堆物理计算程序计算了西安脉冲堆在不同功率下停堆前后氙(135Xe)和钐(149Sm)反应性变化,得到氙毒和碘坑的计算值,并与实测值进行了比较。结果表明,理论计算值与实测值符合较好, 特别是碘坑值,二者只相差5.7×10-5。碘坑反应性值较小,不会影响启动,即西安脉冲堆停堆后,随时都可以安全启动。

Bang-Bang型电推进氙贮供系统两相流仿真研究与开闭周期优化

针对某Bang-Bang型电推进氙贮供系统,基于Amesim仿真平台搭建起流动、传热动态数值模型进行两相流仿真研究,采用MBWR状态方程准确揭示氙工质相态变化。仿真模型与试验数据对比验证后,对Bang-Bang阀开闭周期进行参数敏感性分析来优化系统设计。结果表明:系统各工作阶段Bang-Bang阀下游缓冲罐压强以及各极流量仿真结果与试验数据或额定值误差在1.76%以内。Bang-Bang阀在异步工作周期中,中间小气容由于焦汤效应而温度瞬间下降,氙工质由气态转变为两相态并持续0.315s。采用适中的开闭周期可以在缩短缓冲罐建压响应时间的同时实现Bang-Bang阀的长寿命使用。

小型氦氙冷却移动式反应堆堆芯设计优化分析

小型移动式核反应堆电源能为偏远地区、事故应急等场景提供所需的电能和热能,而堆芯的轻量化和小型化是小型移动式核反应堆电源的设计重点。由此,基于前期概念设计,本研究提出了一个高可靠、长寿命的小型氦氙冷却固体核反应堆堆芯设计及其反应性控制方案。首先,在综合考虑反应堆寿命以及热工安全设计等限制条件的基础上,使用蒙特卡罗程序OpenMC进行了堆芯几何优化分析,得到了堆芯质量最小化的设计方案。其次,分析了含可燃毒物的布置优化方案,通过在堆芯靠近反射层附近的燃料棒中添加2%质量分数的可燃毒物Gd2O3,寿期初径向功率峰因子从2.22降低至1.43。最后,基于分层分块滑移反射层的反应性与功率控制方法,提出了反应性线性控制方案,该方案还可以保证事故情况下的反应堆安全。相关结果可为小型移动式核反应堆电源的堆芯设计及反应性控制提供参考。

基于运行状态的氦氙布雷顿循环气体组分分析

氦氙气体的组分保持是氦氙布雷顿能量转换系统长期稳定运行的基础,而无论是工质气体的泄漏还是充填量的调节都有可能导致系统中的氦氙气体组分发生变化,进而影响系统运行状态。通过对氦氙布雷顿系统的动态仿真计算,得到了气体组分发生变化时系统运行的差异。当气体组分发生变化时,系统共同工作线将发生偏移,尤其是气体摩尔质量变小时,共同工作线向喘振线偏移;并且在到达满功率输出时,压气机喘振裕度变小,且需要更高的涡轮入口温度;同时会导致回热器热侧温度入口提高,不利于系统的稳定运行。基于系统仿真结果提出了在额定转速下以负荷率、流量为变量的氦氙气体组分计算方法,为实现氦氙布雷顿循环工质组分变化的监控和调节提出了新思路。该方法中,流量的精确测量是提高组分分析精度的重要保障。

氦氙反应堆子通道湍流交混系数研究

子通道分析是反应堆进行热工水力设计和安全分析的主要方法,准确模拟通道中的湍流交混系数是子通道分析的关键.已有的湍流交混系数关系式大多基于水堆开发,该研究基于计算流体力学方法开展氦氙反应堆子通道湍流交混系数研究,拟合出适用于氦氙反应堆的湍流交混系数关系式.与现有湍流交混系数关系式相比,新拟合的湍流交混系数关系式对中心通道温度的预测更加准确.

粗制氪氙系统流程的优化和改进

针对KDONAr-40000/82000/1700型空分设备配套粗制稀有气体提取系统,论述粗制氪氙系统调试过程中,对流程上一些缺陷做出了相关优化和改进,从而保障粗制氪氙系统投运期间正常安全运行。

高透塑胶材料SAE J2527氙灯老化测试结果偏离的原因分析及对策

在某主机厂组织的SAE J2527标准氙灯光老化测试比对中,高透光率塑胶材料的老化黄变及色差数据超出参考值范围,为此对测试结果偏离的失效现象进行了原因分析和探讨。确定了造成结果偏离的过程控制因素,并通过试验验证建立了避免此类问题的改善措施,进一步规范高透塑胶材料在氙灯老化测试中的过程控制,保障测试结果可靠性。

蒙卡燃耗中的氙振荡现象分析及计算研究

根据氙振荡产生的机理,按照燃耗步长来划分:在短步长条件下会产生物理氙振荡,在长步长条件下会产生数值氙振荡。研究发现,当燃耗步长增大到19h,物理氙振荡的振幅最小,随着燃耗步长继续增大,表现为数值氙振荡,当燃耗步长27d,数值氙振荡振幅最小。采用平衡氙方法强制使中子通量与氙浓度平衡,在堆芯物理计算程序(RMC)的输运模块中运用平衡氙方法对碘氙的浓度进行不断的迭代更新,在保证收敛的情况下抑制了氙振荡现象的发生。