核设施退役气溶胶采样系统原理及设计.pdf

第2期(总第183期)
机械工程与自动化
2014年04月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
Apr
文章编号:1672-6413(2014)02-016-03
核设施退役气溶胶采样系统原理及设计
周茹茹,赵立宏
(南华大学,湖南衡阳421001)
摘要:核设施退役过程中会产生大量的放射性污染物(气溶胶),对生产和作业会造成很大的影响,因此需
要建立正确的监测和预警系统。该系统主要包含采样装置、探测器、抽气泵、接口、PC机,其测量范围在
0.8m3/min~1.2m3/min,可以较为准确地测量放射性气溶胶的含量,实现实时在线测量。
关键词:核设施退役;气溶胶;监测系统;采样系统
中图分类号:TP273:TL75
文献标识码:A
0引言
质以及其质量浓度
核设施退役是核设施生命周期的终端,是核设施
全寿期管理中的一个重要环节,也是环境保护的一项
过滤器压カ计
流量计
电子分类器
重要活动。核设施退役的基本要求是放射性物项获得
进气
内。2
安全处理与处置,使场址成为绿地无限制开放或用于
计算机粒子
进样环路
气溶胶
其他用途。退役过程中会包含大量的放射性污染,如
记录器能细僧
真空计
发生器
气溶胶、土壤污染等,会对人们的生产作业造成很大的
pump
影响,故此需要建立正确的监测预警系统,及时作出应
图1甑溶胶实时在线测量装置示意图
急揹施。
在气溶胶测定中,特征放射性测量具有现实意义。
监測系统原理及其组成
放射性核的数目随时间按指数规律减少,在给定时间
1.1监测系统的组成
内,一定量的放射性核素在一个很短的时间内发生核
监测主要是利用各种监测仪记录粒子的数目,测衰变数除以时间间隔的商称为放射性活度,用A来表
定放射性活度。在监测过程中,最基本的测量原理是:
利用带电粒子在物质中产生的电离和激发效应或快速
轻带电粒子穿过物质的电磁辐射效应。由于y射线不
A=ーd=AN=ANe=Aae
能被探测器直接探测到,故探测时利用它在物质中的其中:Ao为样品在O时刻的活性;为衰变常数;N为
光电效应、康普顿散射和电子对效应。放射性污染(气放射性原子核数;N。为0时刻放射性原子核数;t为
溶胶)目前阶段的测量方法主要有收集和分析、实时在测量时间。
线测量法,如图1所示。选择气溶胶测量仪器时,考虑
而气溶胶的粒子质量浓度Cm(g/cm23)取决于放
的首要因素之一是气溶胶的粒度范围。在粒度图谱中射性物质的数量浓度C(Bq/m),并与物质的特征放
的徴小粒子端,气溶胶粒子可能在(光)化学反应、凝结射性A(Bq/g)有关?其关系为:C=C./A
核和凝结生长以及凝结或凝聚中形成。
每平方米空气中放射性粒子的数量浓度Cn(粒子
监测系统一般由采样装置、探测器、抽气泵、接口、数/m2)取决于已知的放射性物质的数量浓度C.,并与
PC机等部分构成,如图2所示。当进入工作状态特征放射性A、粒子浓度p(g/m2)以及气溶胶的体积
时,气溶胶采样的上下两支吸入管自动闭合,将滤纸夹存在关系。假设粒子是单分散性的,形状为球形(体积
紧,抽气泵开始抽气,放射性气溶胶粒子以一定的流量为π4;/6,cd,为气溶胶粒子的当量直径),则关系式
被吸入装置中,待一段时间后,抽气泵停止工作。滤纸为:
的传送机构将采集了气溶胶粒子的滤纸样品准确送到
C,=C,[Ap("2)】
探测部位,通过PC机即可知道其中所含的放射性物
湖南省重大科技专项(2012FJ1007):湖南省重点学科建设项目(湘教发[2011]76号)」湖南省高校科技创新团队支持计划项目(湘教通
[2012]318号)
收稿日期:2013-07-221修回日期:2013-10-18
作者简介:周茹茹(1988-),女,江苏南通人,在读硕土研究生,研究方向:机电一体化。
兔兔ww.Kuciltu.com
2014年第2期
周茹茹,等:核设施退役气溶胶采样系统原理及设计
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1.2气溶胶采样系统的銀成
2采样仪器的技术特性
在气溶胶采样过程中,首先要考虑采样器的选择,
采样仪器的技术特性如下
目前常用的采样口有两种, blunt采样口和薄壁采样
流量范围(m3/min)
口。本系统采用薄壁采样口,这是一种理想采样口,不
流量示值误差(%)
士2.5
会影响外界气流,在管口也不会有粒子反弹。采样探
稳流响应时间(s):
头、滤膜托、压力机、流量测量装置、流量调整器和抽气
计时精度(%)
士0
泵是采样系统必备的部件。在一般情况下,携带气
累计采样流量误差(%):±5;
溶胶的气体通过探测头进人滤膜托,进入控制装置,采
温度测量范圃(℃):
30~50
样时,采样探头的方向应与气流方向相反。采样过后
温度示值误差(℃)
土1。
就是样品的输送系统,由管道(铅管)、弯管和流量压缩3监測系统效率分析及数据处理
元件组成。输送系统设计的原则是使粒子的损失最小
气溶胶在采样和测量过程中往往会出现一些偏
化,故此要缩短传输距离和传输时间。在整个采样系差,在光学粒度分级仪器中,检测的基础是一个粒子,
统中,重要的是切割器的设计,考虑到PM10和PM2.5但在监测的过程中往往会存在重合效应,在输送过程中
的特点,本设计了采样PM2.5切割器。
也会有损失,考虑了重合效应后,输送管路输送效率为:
Q
气溶胶
电荷灵敏
放大器
其中:d为管道直径;u为粒子扩散到管壁的沉积速
入口
成形放大/300v
别
度;L为管道长;Q为通过管道的体积活度;S为舎伍
滤纸带
探头
电源
德系数,S=3.66
e+0.10079
0.2672
D为粒
气溶
高压
胶吸f
电源
子扩教系数。
入管探头
通过实验拟合得出PM2.5切割器的采样效率7
低压
与气溶胶粒子的当量直径da(pmn)的关系,如图3所
供纸
收纸
电源
示,约为
統量前放
指示
ADC
る=725.36-9860.08d+42842-57.195d.(5)
90
抽气泵?转
换
接口1
抽气泵山器
(MCB)
微机多道分析
PC机
20
10
接口2
1.62.02.42.8
d/μ
纸泵磁‖报
显示打印
图3PM2.5切器采样效率与当量直径的关系
控控‖控蓄
在测量过程中,仪器主要的输出结果与活性表面
图2放射性气溶胶连续监测系统原理图
积浓度的空气动力学粒度分布有关。浓度的测量值受
在设计切割器时],要遵循两个设计指导方针(这仪器精密度、采样器的收集特征、流量以及电流测量值
两个指导方针涉及到两个无量纲参数):由喷嘴直径限的影响,为了计算采样器的带