СПОСОБ ДОСТАВКИ ПРОБ РАДИОАКТИВНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR RADIOACTIVE SOLUTION SAMPLE DELIVERY AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT (VERSIONS)

Изобретение относится к области радиохимии, а именно к обращению с высокоактивными растворами, и может быть использовано при доставке разведенных порций (образцов) указанных растворов от места их отбора и разведения к анализаторам состава, находящимся на удалении, обеспечивая при этом радиационную защиту персонала.
Известно, что на радиохимических заводах в России используются системы отбора проб радиоактивных растворов, основанные на сливе некоторого объема раствора (пробы) в специальную емкость (см., например, статью «Система дистанционного пробоотбора ОДЦ» авторы Я.В. Коловский, А.И. Ланский, Н.Н. Мишин, С.В. Подойницын, И.О. Шумков. Сборник докладов Научно-технической конференции: «Обращение с отработавшим ядерным топливом в России», Красноярский филиал ФГУП «ФЦЯРБ», г. Железногорск, 2012 г., стр. 168-173). В этой системе пробоотбор осуществляется в оборудованной манипулятором и смотровым окном радиационной защитной камере, куда от технологических трубопроводов или технологических аппаратов выведены промываемые раствором импульсные трубки с запорной арматурой. После отбора пробы специальная емкость герметизируется.
В той же работе предложена новая система дистанционного отбора проб из технологического трубопровода, основанная на использовании герметичного поворотного устройства отсечения пробы от технологического трубопровода и последующего отбора пробы объемом 10 мл в капсулу с самогерметизирующимся пробоотборником. Способом доставки проб радиоактивных растворов в обоих случаях является перемещение их в аналитическую лабораторию с помощью пневмопочты или конвейера. К недостаткам упомянутых систем можно отнести:
- необходимость использования для передачи проб специальных транспортных емкостей, которые необходимо герметизировать;
- доставку проб высокоактивных растворов без разведения, что требует дорогостоящих мер по защите персонала от гамма-излучения пробы;
- использование специальной пневмопочты или конвейера для доставки проб высокоактивных растворов, недостаточно надежных и требующих больших материальных затрат при их создании.
Известно устройство для отбора и разведения порций радиоактивного раствора по патенту РФ на изобретение №2485473, МПК G01N 1/10, опубл. 10.06.2013 г., которое осуществляет две совмещенные операции: пробоотбор и разведение порции радиоактивного раствора. При этом отбор пробы может осуществляться непосредственно из технологического аппарата, трубопровода или транспортной емкости. Способом передачи пробы является выдача заданного объема разведенной пробы из устройства по специальной линии выдачи на расстояние не более 2-4 метров. Основным преимуществом устройства является то, что из зоны расположения технологического оборудования выводится не высокоактивный, а разведенный в 30-100 раз раствор. Из технологического процесса отбирается малая порция высокоактивного раствора объемом 0,2-0,5 мл, что существенно снижает стоимость мер по защите персонала от вредных излучений.
К недостаткам устройства относится необходимость использования специальных герметизируемых транспортных емкостей, которые доставляются в аналитическую лабораторию с помощью пневмопочты или конвейера. По сравнению с упомянутой выше доставкой проб высокоактивных неразведенных растворов в данном случае требуется меньшая защита персонала, что снижает материальные затраты при создании пневмопочты или конвейера, но не избавляет от них. Время передачи пробы практически не снижается и остается достаточно большим.
Наиболее близким по технической сущности и принципу действия к заявленному является способ доставки проб растворов, реализованный ЗАО «Технолинк» в автоматизированной системе отбора, подготовки и доставки проб фильтратов по патенту РФ №233.1055, принятому за прототип. Технологические характеристики и функциональные возможности этой же системы описаны на сайте компании по ссылке в Интернет http://www.technolink.spb.ru/resheniya-po-avtomatizatsii/resheniya/150/212/).
Эта система содержит пробоотборное устройство, установленное на технологическом напорном трубопроводе и соединенное с блоком фильтрации, к внутренней полости которого через управляемый клапан подключена приемоотправительная станция. Во втором положении управляемого клапана приемоотправительная станция через указанный клапан и транспортную трубку подключена к пробоприемной емкости, которая, в свою очередь, соединена с входом анализатора. Верхняя часть приемоотправительной станции соединена с выходом источника вакуума-давления. Программируемый логический контроллер, на основе которого построен блок управления, соединен с управляющим входом источника вакуума-давления, управляемым клапаном, анализатором и другими вспомогательными элементами.
Первоначально пробу из напорного трубопровода принимают в блок фильтрации за счет избыточного давления в трубопроводе. Управляя режимом работы источника вакуума-давления, создают вакуум в приемоотправительной станции и через управляемый клапан отбирают отфильтрованную пробу из блока фильтрации в приемоотправительную станцию. Затем переключают клапан и меняют режим работы источника вакуума-давления на выдачу достаточно большого, практически постоянного избыточного давления, которое обеспечивает доставку отобранной пробы из приемоотправительной станции через клапан и транспортную трубку в пробоприемную емкость с целью последующего определения состава пробы анализатором. После окончания доставки пробы с помощью вспомогательных элементов производят промывку водой и последующую продувку воздухом приемоотправительной станции и транспортной трубки. Управление процедурами отбора, доставки и анализа пробы, промывки водой и продувкой воздухом приемоотправительной станции и транспортной трубки, а также обмен информацией с внешними устройствами производят с помощью упомянутого выше контроллера. Пробу раствора к входу анализатора доставляют в автоматическом режиме на достаточно далекое расстояние - до двухсот метров.
Однако указанный способ доставки пробы практически не применим для проб радиоактивных растворов. Во-первых, объем отбираемой с помощью этого способа пробы (300÷400 мл) более чем в тридцать раз превышает объем пробы, принятой в радиохимии (не более 10 мл). Соответственно, более чем в тридцать раз повышается интенсивность фонового гамма-излучения пробы. Во-вторых, проведение промывок приемоотправительной станции и транспортной трубки порождает дополнительные радиоактивные отходы. Все это потребует дорогостоящих мер по защите персонала от гамма-излучения проб растворов. Кроме того, дополнительные операции по промывке и сушке элементов системы отбора, подготовки и доставки проб, включая транспортную трубку, значительно увеличивают время между двумя последующими анализами проб.
Изобретение решает задачу создания более простого и дешевого способа доставки проб радиоактивных растворов при использовании протяженной транспортной трубки, а также обеспечивает повышение скорости и снижение трудоемкости передачи проб.
Техническим результатом от использования заявленного изобретения является существенное снижение стоимости и повышение оперативности доставки проб радиоактивных растворов от места их отбора из технологического оборудования в аналитическую лабораторию за счет значимого снижения объема пробы и отказа от дополнительных операций по промывке, сушке транспортной трубки и других элементов системы отбора и доставки проб. При этом обеспечивается достаточно высокая степень безопасности в отношении радиационной защиты персонала, в том числе за счет применения совмещенных операций отбора пробы и ее разведения.
Технический результат, получаемый от реализации заявленного изобретения, достигается тем, что для доставки проб радиоактивных растворов способом, включающим ввод пробы раствора в протяженную транспортную трубку, создание положительного перепада давления газовой фазы в транспортной трубке до и после месторасположения пробы в направлении ее перемещения и прием пробы в пробоприемную емкость, соединенную с входом анализатора состава, согласно способу величину положительного перепада давления регулируют таким образом, чтобы скорость перемещения пробы по транспортной трубке поддерживалась примерно постоянной и не превышала заданного значения, а в качестве транспортной трубки используют капиллярную линию, например, диаметром 0,5÷2 мм, с гладкой внутренней поверхностью. При этом регулирование величины положительного перепада давления осуществляют с помощью регулятора избыточного давления, через пневмодроссель соединенного с входом в транспортную трубку, или с помощью регулятора разрежения, через пневмодроссель соединенного с выходом из транспортной трубки.
При этом управление регулятором избыточного давления или регулятором разрежения производят исходя из величины сигнала датчика расхода газовой фазы, подключенного к транспортной трубке.
Избыточное давление или разрежение газовой фазы измеряют в точке соединения пневмодросселя с транспортной трубкой, и по скачку измеренной величины определяют момент окончания процесса доставки пробы.
Вблизи выхода из транспортной трубки, а также в зоне ее существенных перегибов в вертикальной плоскости (при их наличии) устанавливают сигнализаторы наличия раствора и используют сигнал о заполнении или опорожнении транспортной трубки в контролируемых точках в процессе регулирования избыточного давления или разрежения.
В устройстве для осуществления заявленного способа, включающем пробоотборное устройство, установленное на технологическом трубопроводе, управляемый трехходовой клапан, соединенный через транспортную трубку с пробоприемной емкостью, в свою очередь соединенной с входом анализатора, а также контроллер, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами пробоотборника, трехходового клапана и анализатора, согласно изобретению дополнительно введены датчик расхода газовой фазы с трубкой сдувки, пневмодроссель, регулятор избыточного давления или регулятор разрежения. При этом дополнительный управляющий выход контроллера соединен с регулятором избыточного давления или регулятором разрежения, а измерительный вход контроллера соединен с выходом датчика расхода газовой фазы.
В варианте использования регулятора избыточного давления его выход через пневмодроссель и трехходовой клапан соединен с входом в транспортную трубку, а датчик расхода газовой фазы через пробоприемную емкость соединен с выходом транспортной трубки.
В варианте использования регулятора разрежения его выход через пневмодроссель и пробоприемную емкость соединен с выходом транспортной трубки, а датчик расхода газовой фазы через трехходовой клапан соединен с входом в транспортную трубку.
Пробоотборное устройство выполнено в виде устройства для отбора и разведения порций радиоактивного раствора, а в качестве транспортной трубки используется капиллярная линия, например, диаметром 0,5÷2 мм с гладкой внутренней поверхностью.
Кроме того, в состав устройства дополнительно введены датчик давления-разрежения, вход которого присоединен к выходу пневмодросселя, а выход - к измерительному входу контроллера, и один или несколько сигнализаторов наличия раствора в поперечном сечении транспортной трубки, установленных вблизи выхода из транспортной трубки, а также в зоне ее существенных перегибов в вертикальной плоскости (если они имеются).
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема устройства для реализации способа доставки проб радиоактивных растворов на основе регулятора избыточного давления; на фиг. 2 показана блок-схема устройства для реализации заявленного способа с применением регулятора разрежения.
Устройство для реализации способа содержит устройство 1 для отбора и разведения порций радиоактивного раствора, установленное на технологическом напорном трубопроводе 2, управляемый трехходовой клапан 3, соединенный через транспортную трубку 4 с пробоприемной емкостью 5, которая, в свою очередь, соединена с входом анализатора 6. В качестве трехходового клапана в устройстве может быть использован, например, клапан типа 0127 фирмы Бюркерт (Германия).
В состав устройства включены дополнительно датчик расхода газовой фазы 7 с трубкой сдувки 8, регулятор избыточного давления 9, выход которого через пневмодроссель 10 соединен с входом в транспортную трубку 4 (фиг. 1), или регулятор разрежения 11, выход которого через пневмодроссель 10 соединен с выходом из транспортной трубки 4 (фиг. 2). В качестве датчика расхода газовой фазы может быть использован, например, датчик типа AWM3150V фирмы Хонивелл (США).
На выходе пневмодросселя 10 установлен датчик давления-разрежения 12, а у окончания транспортной трубки 4 установлен сигнализатор 13 наличия раствора в поперечном сечении трубки, при этом выходы датчика 12 и сигнализатора 13 подключены к измерительным входам контроллера 14, к ним же подключен датчик расхода газовой фазы 7. Первый управляющий выход контроллера 14 соединен с управляющим входом устройства 1 для отбора и разведения порций радиоактивного раствора, второй выход - с регулятором избыточного давления 9 или регулятором разрежения 11.
Другие сигнализаторы 13 наличия раствора в поперечном сечении трубки 4 могут быть также установлены в зоне ее существенных перегибов в вертикальной плоскости, в случае их наличия (на чертеже не показаны). Подключение этих сигнализаторов к контроллеру 14 будет аналогичным указанному выше.
В качестве датчика давления-разрежения может быть использован, например, датчик давления-разрежения типа STANDARD, выпускаемый фирмой ЗАО «НПК ВИП» (Россия).
Способ осуществляют следующим образом.
По команде контроллера 14 устройство 1 отбирает из трубопровода 2 или технологического аппарата (не показан) небольшую порцию радиоактивного раствора - не более 0,5 мл. Указанная первичная порция разводится в устройстве 1 в 20÷100 раз, и часть разведенного радиоактивного раствора возвращается в трубопровод 2 (или технологический аппарат). В большинстве случаев отбор первичных порций радиоактивного раствора производится без применения фильтра на входе пробоотборника 1, однако, в случае наличия фильтра (на фиг. 1 и 2 не показан), возвращаемая в трубопровод 2 или в технологический аппарат первая часть разведенного радиоактивного раствора выполняет функцию периодической промывки фильтра. Вторая часть разведенного радиоактивного раствора - проба объемом 5÷20 мл через трехходовой клапан 3 поступает в транспортную трубку 4, после чего трехходовой клапан 3 по команде контроллера 14 переключается и соединяет вход в транспортную трубку 4 через пневмодроссель 10 с выходом регулятора избыточного давления 9 или с датчиком расхода газовой фазы 7.
В случае применения регулятора избыточного давления 9 (фиг. 1) последний пропорционально управляющему сигналу контроллера 14 начинает увеличивать избыточное давление газовой фазы (как правило, воздуха) на своем выходе. Воздух с выхода регулятора избыточного давления 9 через пневмодроссель 10 начинает поступать в трехходовой клапан 3, а проба разведенного радиоактивного раствора, переданная в транспортную трубку 4 из устройства 1, начинает перемещаться по транспортной трубке 4 в сторону пробоприемной емкости 5.
В это время воздух, вытесняемый движущейся пробой, с выхода транспортной линии (трубки 4) начинает поступать через пробоприемную емкость 5 и через датчик расхода газовой фазы 7 в трубку сдувки 8, соединяющую внутреннюю полость перечисленных элементов с атмосферой. Величина расхода воздуха, поступающего в трубку сдувки 8, пропорциональна скорости движения пробы разведенного радиоактивного раствора. Контроллер 14 с учетом инерционности определения скорости пробы по величине расхода воздуха обрабатывает сигнал датчика расхода газовой фазы 7 и выдает управляющий сигнал на регулятор избыточного давления 9. При этом скорость перемещения пробы по транспортной трубке поддерживается примерно постоянной и не превышает заданного значения, в частности она должна быть не более 200÷500 м/час.
Необходимость ограничения скорости движения пробы в капиллярной транспортной трубке объясняется следующим. Если скорость движения пробы по указанной трубке превышает величину порядка 300÷500 м/час, то некоторое количество раствора остается на стенках трубки, что обуславливает необходимость последующей промывки водой и продувки воздухом. Если транспортная трубка не является капилляром, то часть пробы также остается на стенках. При ограничении скорости движения пробы можно добиться ее доставки по капиллярной трубке на расстояние 100÷200 метров с потерями раствора менее 0,5% от объема пробы. Конкретная величина максимальной скорости движения пробы определяется опытным путем с учетом возможного состава раствора, степени смачивания раствором поверхности трубки, температуры окружающей среды, требований к погрешности анализа состава, длины транспортной трубки и величины максимально допустимой задержки доставки пробы. Следует учесть, что даже небольшое количество раствора, которое остается в капиллярной трубке, не высыхает. С другой стороны, последовательно отбираемые пробы одного и того же технологического радиоактивного раствора не отличаются значительно по составу. Соответственно небольшая доля предыдущей пробы, оставшаяся на стенках транспортной капиллярной трубки, перемешиваясь с очередной пробой, не приводит к значимому изменению состава последней. В этих условиях не нужна и даже противопоказана процедура промывки транспортной трубки водой с последующей продувкой воздухом.
В итоге за счет многократного по сравнению с прототипом снижения объема пробы раствора, передаваемой по транспортной трубке, и исключения операции дополнительной промывки транспортной трубки снижается общая длительность процедуры передачи отдельной пробы и количество радиоактивных отходов, порождаемых операцией пробоотбора.
Из-за инерционности определения скорости пробы при существенном изменении условий перемещения пробы в процесс регулирования избыточного давления целесообразно определить признаки изменения указанных условий, а именно резкий перепад высоты при движении пробы или уменьшение длины участка транспортной трубки 4, который занимает проба, в процессе ее выдачи в пробоприемную емкость 5. В последнем случае уменьшается гидродинамическое сопротивление движению пробы. После получения сигнала от сигнализатора 13 о наличии раствора на выходе транспортной трубки 4 контроллер 14 может снизить давление на выходе регулятора избыточного давления 9 по соответствующей траектории, определяемой заранее. Аналогичным образом производится регулирование при поступлении пробы в вертикальные участки транспортной трубки 4, если таковые имеются. В этом случае учитывается необходимость дополнительного отрицательного или положительного перепада давления, который компенсирует гидростатическое давление, создаваемое пробой в вертикальных участках транспортной трубки 4. В контроллер 14 поступает также дополнительный информативный сигнал от датчика давления-разрежения 12, который позволяет частично скомпенсировать инерционность контура регулирования скорости движения пробы, а также фиксировать момент окончания процедуры доставки пробы в пробоприемную емкость 5.
В случае применения регулятора разрежения 11 (фиг. 2) реализация способа полностью идентична предыдущему варианту, за тем исключением, что перепад давления в транспортной трубке 4 создается не за счет избыточного давления на входе, а за счет разрежения на ее выходе. Соответственно воздух в транспортную трубку 4 поступает из атмосферы через трубку сдувки 8, а не из регулятора избыточного давления 9, и удаляется из транспортной трубки в регулятор разрежения 11, а не в атмосферу.
Выбор одного из двух вариантов реализации предложенного способа производится в зависимости от конкретных условий с учетом свойств каждого варианта. В частности, преимущество первого варианта (фиг. 1) заключается в том, что регулятор давления 9 можно расположить вне технологической зоны пробоотбора, а к его недостаткам относится наличие кислотных паров в воздухе, проходящем от датчика расхода газовой фазы 7 к трубке сдувки 8, что может привести к преждевременному выходу датчика из строя.
Преимуществом второго варианта (фиг. 2) является отсутствие кислотных паров в воздухе, проходящем к датчику расхода газовой фазы 7 от трубки сдувки 8. Однако при этом датчик 7 должен быть расположен на небольшом удалении от зоны пробоотбора. Если указанное удаление в конкретных условиях позволит поместить датчик расхода газовой фазы 7 в зоне, защищенной от действия собственного гамма-излучения технологических растворов и доступной для обслуживания, то второй вариант становится предпочтительным.
Использование заявленного изобретения позволяет существенно снизить стоимость и повысить оперативность доставки проб радиоактивных растворов от места их отбора из технологического оборудования в аналитическую лабораторию по сравнению с применяемым сегодня на радиохимических заводах способом доставки проб с помощью пневмопочты или конвейера. Предлагаемый в прототипе способ доставки проб по транспортной трубке не реализуем в радиохимическом производстве, так как оперирует с большими объемами проб растворов и порциями воды для промывки трубки, что вызывает проблемы с радиационной защитой персонала и избыточным количеством радиоактивных отходов.
Устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает передачу разведенной пробы объемом 5÷20 мл по протяженной капиллярной транспортной трубке, прокладываемой по каналу, радиационная защита которого достаточно компактна и недорога. Более того, в указанном канале могут быть проложены несколько транспортных трубок, обеспечивающих поочередную доставку проб различных технологических продуктов из близкорасположенных устройств отбора и разведения порций радиоактивного раствора.