一种钠燃烧实验装置及获取极低浓度钠气溶胶的方法与流程

本公开属于反应堆技术领域，特别涉及一种小量钠燃烧实验装置及获取极低浓度钠气溶胶的方法。

背景技术：

钠气溶胶探测技术研究中，需进行真实钠气溶胶环境下的探测器响应实验。获取钠气溶胶的常用方式包括钠燃烧、钠水反应等。根据以往实验经验，在空气气氛下点燃金属钠需加热至200℃以上，甚至更高温度，钠在空气中的反应不易控制，温度较低时会在钠表面生成氧化物膜，阻止进一步反应，若想获取钠持续性燃烧的状态还要对正在燃烧的不断进行搅拌，操作难度大，且产生的钠气溶胶浓度很高，不适用于少量、较为稳定的钠气溶胶的获取，即不适用于早期微量钠气溶胶探测技术研究。钠水反应极其剧烈，容易产生爆炸，存在很大的安全隐患。

技术实现要素：

(一)发明的目的

为克服现有技术的不足，本公开提供了一种小量的钠燃烧实验装置及获取极低浓度钠气溶胶的方法。

(二)技术方案

一种钠燃烧实验装置，其特征在于，该装置包括：钠燃烧反应器、点火器；其中点火器为钠燃烧反应器点火；

其中钠燃烧反应器为筒状结构，在筒内底部设置有圆柱形凹槽，在圆柱形凹槽底部设置有锥形凹槽；钠燃烧反应器筒外底部设置有加热装置和热电偶；在钠燃烧反应器筒体上方为石英窗口。

钠燃烧反应器上设置有采样管，连接钠气溶胶探测器。

钠燃烧反应器底设有空气入口及气流挡板。

点火器为高能脉冲激光点火系统。

高能脉冲激光点火系统的激光光路通过反射镜从石英窗口进入钠燃烧反应器。

高能脉冲激光点火系统的激光波长1064nm，激光频率10hz，激光脉冲能量约为150毫焦，脉冲宽度约为10ns。

反射镜数量为3。

一种获取极低浓度钠气溶胶的方法，该方法采用上述装置进行获取；

a.按照上述装置准备实验装置；

b.开启加热装置，将步骤a中的实验装置加热到115°～125°；

c.通过石英窗口观察金属钠融化为液态，开启高能脉冲激光点火器；

d.采用钠气溶胶探测器采样；

e.收取预定浓度的钠气溶胶。

(三)有益效果

通过本公开提出的钠燃烧实验装置，先将金属钠预热到120℃左右，在此温度下钠融化为液态，但是尚未开始燃烧。然后通过激光点火器刻蚀液态钠表面，由于激光点火器作用面积小、能量集中，可快速氧化表面的极少量的金属钠，产生钠的氧化物，即生成钠气溶胶。由于激光点火器作用面积小，每次产生的钠气溶胶量极其有限，因此可以获取极低浓度(几十ppb浓度级)的钠气溶胶，可用于极早期钠泄漏探测技术的研究。该装置所需具用钠量少，操作过程简单、安全，反应过程在密闭空间内进行，不会直接接触到金属钠和反应产物，且反应过程相对可控，不会出现钠不可控自主燃烧的情况，避免了大浓度气溶胶的生成。

附图说明

图1是钠燃烧实验装置示意图；

图2是钠燃烧反应器的结构示意图；

图3是钠燃烧反应器剖视图；

图4是获取极低浓度钠气溶胶的流程图；

图5是钠气溶胶浓度-时间变化曲线图；

其中1钠气溶胶探测器；2采样管；3钠燃烧反应器；4反射镜；5点火器；6金属钠；7气流挡板；8空气入口；9加热装置；10热电偶；

具体实施方式

为了更加清楚的说明本公开的技术方案，下面结合具体实施方式进行详细介绍：

本公开的钠燃烧实验装置，其特征在于，该装置包括：钠燃烧反应器3、点火器5；其中点火器5为钠燃烧反应器3点火；

钠燃烧反应器3设计为筒状结构，材质为不锈钢，在底部设计有锥形凹槽与柱形凹槽作为钠池。钠池通过陶瓷电热片进行加热，可将置入其中的金属钠6预热并融化为液态，通过安装于钠池下方的热电偶10及温控电路对加热温度进行控制和监测。筒体上方为石英窗口，可用于燃烧状态观察，图像采集等实验操作。反应器中钠点火设计为利用高能脉冲激光通过石英窗口对钠池进行点火。筒上方安装采样管接头，用于输运生成的钠气溶胶。筒体下板设计有空气入口8及气流挡板7，用于助燃气补充。

对预热状态下的钠通过激光进行连续激发，此时金属钠6在反应池中可实现自主燃烧。由于激光脉冲作用面积较小，因此仅有极少量的钠燃烧，每次激光脉冲对金属钠6的剥蚀与激发下可产生少量钠气溶胶，此时通过对反应器中空气进行采样，可以获取到钠气溶胶。若关闭激光装置，预热的钠温度不足以继续燃烧，生成钠气溶胶的速度逐渐降低，生成的钠气溶胶浓度逐渐减少，直至不产生钠气溶胶。

利用钠气溶胶专用探测装置如图4的获取极低浓度钠气溶胶过程中产生的钠气溶胶进行取样和分析，仪器运行参数如下：

样品载气流量：200sccm

等离子体气流量：200sccm

光谱积分时间：25ms

光谱积分次数：100次

采样泵抽速：10l/min

利用探测仪器检测钠剥蚀过程中气溶胶浓度随时间变化趋势。采样开始后仪器很快对钠元素进行响应，根据仪器已建立的校准曲线可实时推算出所采样气体中钠气溶胶浓度，分析结果见图5，浓度变化趋势与实验过程中的相关操作(打开激光、关闭采样泵等)相符。

该实验过程中钠的使用量小于10g，通过筒体上部的石英玻璃可以实时观察到钠融化、燃烧、钠气溶胶生成等过程。通过钠气溶胶探测装置测的该实验装置中产生的钠气溶胶浓度在几十ppb级别，且激光装置打开时钠气溶胶浓度显著升高，激光装置关闭时，钠气溶胶浓度显著下降，说明钠气溶胶的生成过程可控。

显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若对本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其同等技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本公开的举例说明，本公开也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本公开的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本公开的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本公开的范围内。