工程屏障材料在热作用下气体在线测试的方法和装置与流程

本发明属于放射性废物处理处置技术领域，具体涉及工程屏障材料在热作用下气体在线测试的方法和装置。

背景技术

在放射性废物的处理处置中，废物体自身核素衰变将产生衰变热。例如，高水平放射性废物(hlw)的深地质处置中，废物体中的放射性核素衰变将产生一定的热量，并且该热量会持续很长的时间，因此，工程屏障材料将长期处于热作用下。热作用可能会加速金属包装材料腐蚀，从而会引起近场中气体的变化。这些气体的变化一方面会影响近场氧化还原环境，进而会影响核素迁移等过程；另一方面如果近场中聚集大量的气体(尤其是h2)，这将严重影响整个处置库的安全性。因此需要对热作用下工程屏障材料气体的演化规律开展相关的研究，建立可模拟近场热作用条件下气体测试的方法和测试的装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供工程屏障材料在热作用下气体在线测试的方法和装置，能研究工程屏障材料在热作用下气体的演化规律。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种地质处置工程屏障材料在热作用下气体在线测试的装置，包括：金属容器、烘箱和质谱仪；

所述金属容器包括阀门，所述质谱仪的进气毛细管通过快接头与阀门相连；

所述金属容器放置于烘箱内。

进一步的，所述金属容器具体包括：金属空心圆柱体、第一法兰和第二法兰；

第一法兰和第二法兰配套，其直径大于金属空心圆柱体，在其边沿按预设间距套取有安装螺栓的孔；

第一法兰中心设置与金属空心圆柱体内径大小一致的圆孔，在与第二法兰对接面靠近边沿处加工有凹槽；

第二法兰中心焊接阀门，在与第一法兰凹槽对应的位置加工有刀口；

将金属空心圆柱体焊接、第一法兰、第二法兰组装，从而获得金属密封容器。

进一步的，所述金属容器还包括一对吊耳，所述吊耳在第二法兰上且对称分布在阀门两侧。

本发明采用的另一种技术方案是：提供一种工程屏障材料在热作用下气体在线测试的方法，所述方法包括：

(1)制备金属容器；

(2)金属容器预热老化；

(3)准备样品；

(4)金属容器检漏；

(5)样品热老化；

(6)气体测试。

进一步的，步骤(2)具体包括：

将金属容器打开后将金属空心圆柱体和剩余部分放入90℃的烘箱中热老化7天。

进一步的，步骤(3)具体包括：

准备3个相同金属容器，第一金属容器为空容器，即只密封组装环境下的空气；第二金属容器放入金属材料和膨润土混合的样品；第三金属容器放入第二金属容器中等量的膨润土样品。

进一步的，所述膨润土的含水率为按预设比例调节的。

进一步的，第二金属容器金属材料和膨润土混合的质量比为15/85。

进一步的，所述步骤(5)具体包括：

按预设时间间隔进行样品的气体测试。

本发明的效果在于：本发明所提供的方法和装置，有以下优点：

1)本装置可以模拟深地质处置中，近场工程屏障材料所受的热作用；

2)本测试方法可以实现气体在线检测；

3)本发明可测得热作用下，膨润土中气体产生和消耗情况以及金属腐蚀产生和消耗的气体情况，进而可推断出膨润土中产生和消耗气体的物质以及金属腐蚀反应的过程机理。

附图说明

图1是本发明所述装置一实施例的结构示意图；

图2是本发明所述金属容器一实施例的结构示意图；

图3是本发明所述方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1是本发明所述装置一实施例的结构示意图，所述装置100包括：金属容器101、烘箱102和质谱仪103。

金属容器101包括阀门1011，所述质谱仪103的进气毛细管1031通过快接头104与阀门1011相连。

金属容器101放置于烘箱102内。

图2是本发明提供的金属容器一实施例的结构示意图，参阅图2，金属容器101包括：金属空心圆柱体1014、第一法兰1012、第二法兰1013。

第一法兰1012和第二法兰1013配套，其直径大于金属空心圆柱体1011，在其边沿按预设间距套取有安装螺栓的安装孔。

第一法兰1012中心设置与金属空心圆柱体1014内径大小一致的圆孔，在与第二法兰1013对接面靠近边沿处加工有凹槽。

第二法兰1013中心焊接阀门1011，在与第一法兰1012凹槽对应的位置加工有刀口。

将金属空心圆柱体1014、第一法兰1012、第二法兰1013组装，从而获得金属密封容器101。

进一步的，为了更方便的移动金属容器101。金属容器101还包括一对吊耳1015，所述吊耳1015在第二法兰1013上且对称分布在阀门1011两侧。

区别于现有技术特征，本发明提供的工程屏障材料在热作用下气体在线测试的装置，能研究工程屏障材料在热作用下气体的演化规律。

图3是本发明所述方法一实施例的流程示意图，参阅图3，本发明提供的工程屏障材料在热作用下气体在线测试的方法包括以下步骤：

步骤101：制备金属容器。

具体的，按上述工程屏障材料在热作用下气体在线测试的装置制备金属容器。

步骤102：金属容器预热老化。

在一个具体的实施例中，将金属容器打开后将金属空心圆柱体和剩余部分放入90℃的烘箱中热老化7天。

步骤103：准备样品。

为了实验数据的精确，在本实施例中采用对比实验的方法准备三个相同的金属容器。第一金属容器为空容器，即只密封组装环境下的空气；第二金属容器放入金属材料和膨润土混合的样品；第三金属容器放入第二金属容器中等量的膨润土样品。

其中，膨润土的含水率为按预设比例调节的，第二金属容器中金属材料和膨润土也是按预设比例混合。

在一个具体的实施例中，将膨润土的含水率调节至17％并均化3天后备用，然后将准备好的3个金属容器中的第一金属容器密封(组装环境下的气体)，第二金属容器加入金属粉体/湿土质量比15/85混合均匀后的样品并密封，第三金属容器中加入与第二金属容器中等质量的膨润土后密封。

步骤104：金属容器检漏。

必须对放入样品并组装后的容器进行密封性检查，确保容器的密封性良好。检查方法按照qj3253-2005《气泡检漏试验方法》进行检漏，检漏过程中无规律性气泡产生时，视为组装合格容器，可开展后续试验。

步骤105：样品热老化。

确保容器密封性良好后，放入90℃的烘箱中进行热老化。

步骤106：气体测试。

热老化过程中，按预设时间间隔进行样品的气体测试。

第二金属容器中的金属样品以铁粉为例，下表给出了气体测试的结果。从表中数据可以看出，1)对于空罐来讲，在90℃热老化不同时间后，其h2、h2o、o2和co2的含量与本底含量(容器组装时，实验室空气中各气体成分含量)相当，也即空罐本身不产生也不消耗气体。2)对于只含初始含水率为17％膨润土的容器，90℃热老化不同时间后，其h2的含量与本底含量一致，即单纯膨润土在热作用下，不产生h2；气态h2o较本底有所增加，这是因为膨润土中的水分挥发使得容器中气态h2o含量增加；o2的含量略有所减小，而co2含量略有增加，这可能是膨润土存在的微生物消耗了少量o2并产生了co2以及有机物分解产生了co2。3)对于含有铁粉和膨润土混合物的容器，热老化5天时，产生了大量h2，消耗掉了绝大部分的o2，气态h2o也被消耗了一部分，而co2略有增加，这是因为金属腐蚀消耗了o2和h2o并产生了h2。随着老化时间的增加，h2的量持续增加(45天时，h2可能从桶壁渗出而使含量降低)，o2和h2o持续减小，而co2基本保持在一个相当的水平；从整个反应过程来看，试验前期o2快速减小，而h2快速增加，后期基本无o2时，气态h2o逐渐减小，h2的量缓慢增加。

气体测试结果如下：

从整个试验结果来看，预先热老化后的空罐基本处于稳定状态，即不消耗也不产生任何气体，但是由于h2的渗析作用，长时间放置后，容器中h2的含量将减小；在没有铁粉竞争反应条件下，膨润土将消耗部分的氧气并产生一定量的co2，而在有铁粉竞争反应的条件下，含铁粉的膨润土也有部分的co2产生，但是其含量较仅有膨润土样品时小很多，且随着反应时间的增加基本不变，也就是说，铁粉的存在抑制了co2的产生，这表明膨润土中可能存在喜氧型微生物；铁粉腐蚀存在如下的反应过程：在有氧有水的条件下，铁粉与o2反应并生成大量的h2，且反应的速度很快；在有水无氧的条件下，铁粉将与h2o反应也将产生h2，但反应速度较慢。这表明，o2和h2o的存在，将导致铁粉的腐蚀，并且o2的存在将加速其腐蚀。

区别于现有技术特征，本发明提供的一种工程屏障材料在热作用下气体在线测试的方法可测得热作用下，膨润土中气体产生和消耗情况以及金属腐蚀产生和消耗的气体情况，进而可推断出膨润土中产生和消耗气体的物质以及金属腐蚀反应的过程机理。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。