一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置及方法与流程

1.本发明属于地下实验室核素迁移试验技术领域，具体涉及一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置及方法。


背景技术：

2.在高放射性废物深地质处置实施之前，需对预选场址和深地质处置库进行安全分析及评价，地下实验室建设及现场试验能够为深地质处置库设计、建造、运行和安全评价分析提供最直接的技术和经验支持。其中，扩散实验装置是研究溶质因化学势作用在多孔介质中的迁移行为的必要工具。在普通实验室中一般的扩散实验人工操作很方便，但在地下实验室中，多孔介质的尺度远大于普通地上实验室的，开展地下实验室中核素迁移扩散研究需要长期的密闭技术和自动控制技术。地下实验室核素迁移试验现场监测设备中的扩散装置及方法的开发使原状地下水中的核素长期扩散试验成为可能,获得的数据将为深地质处置库的安全评价提供更可靠科学依据。目前，国内尚无此类装置和方法。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供一种用于地下实验室核素迁移长期监测设备中的扩散装置及方法，用以解决地下实验室原状地下水中核素长期扩散问题。
4.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置，用于地下实验室核素迁移试验中的地下水中的核素长期扩散试验，所述地下水为高放射性废物深地质安全处置的地下实验室所在位置的钻孔中获取的地下水，安装在地下实验室核素迁移长期监测设备中，包括连接所述地下水的源液池，所述源液池通过扩散介质与取样池相连，所述源液池用于获得源液，所述源液是由示踪剂或核素与所述地下水混合得到，所述取样池用于对样液进行取样，所述样液是指从所述源液池中通过所述扩散介质扩散后进入所述取样池中的液体。
5.进一步，
6.所述源液池通过第一管线连接所述地下实验室核素迁移长期监测设备上的原状地下水入口，所述地下水通过所述原状地下水入口经所述第一管线进入所述源液池；
7.所述第一管线上由所述原状地下水入口至所述源液池依次串联设置蠕动泵、第一电磁阀和第二电磁阀；
8.所述第二电磁阀还通过第二管线与所述取样池相连；
9.所述第一电磁阀为二位二通电磁阀，所述第二电磁阀为二位三通电磁阀。
10.进一步，
11.还包括第一废液池，所述第一废液池通过第三管线与所述源液池相连；
12.所述第三管线上由所述源液池至所述第一废液池依次串联设置第三电磁阀和第四电磁阀；
13.所述第三电磁阀还通过第四管线与所述取样池相连；
14.所述第三电磁阀为二位三通电磁阀，所述第四电磁阀为二位二通电磁阀。
15.进一步，
16.还包括第二切换阀，所述第二切换阀通过第五管线与所述取样池相连；
17.所述第五管线上由所述取样池至所述第二切换阀依次串联设置第八电磁阀和第二注射泵；
18.所述第二切换阀还通过第六管线连接所述第一废液池；
19.所述第二切换阀还通过第七管线连接第二样品瓶；
20.所述第八电磁阀为二位二通电磁阀。
21.进一步，
22.还包括第一切换阀，所述第一切换阀通过第九管线与所述源液池相连；
23.所述第九管线上由所述源液池至所述第一切换阀依次串联设置第六电磁阀和第一注射泵；
24.所述第一切换阀还通过第十管线连接第一样品瓶；
25.所述第一切换阀还通过第十一管线连接第二废液池；
26.所述第六电磁阀为二位二通电磁阀。
27.进一步，
28.还包括氮气泵，所述氮气泵通过第十二管线与所述源液池相连，所述第十二管线上设有第五电磁阀，所述第五电磁阀为二位二通电磁阀；
29.所述氮气泵还通过第十三管线与所述取样池相连，所述第十三管线上设有第七电磁阀，所述第七电磁阀为二位二通电磁阀；
30.所述氮气泵还通过第十四管线与所述第一切换阀相连；
31.还包括与所述第十四管线连接的第十五管线，所述氮气泵通过所述第十四管线和所述第十五管线与所述第二切换阀相连。
32.进一步，还包括第八管线，所述源液池通过所述第八管线与所述地下实验室核素迁移长期监测设备中的示踪剂加注装置相连，用于获得所述示踪剂。
33.进一步，还包括第十六管线，所述源液池通过所述第十六管线与所述地下实验室核素迁移长期监测设备中的溶解装置相连，用于获得所述核素。
34.为达到以上目的，本发明还公开了用于如上所述的一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置的一种地下实验室核素迁移试验的扩散方法，包括如下步骤：
35.步骤s1，对所述源液池和所述取样池进行排气；
36.步骤s2，对所述源液池和所述取样池进行注水；
37.步骤s3，向所述源液池中注入所述示踪剂及取样；
38.步骤s4，所述示踪剂的扩散及取样；
39.步骤s5，向所述源液池中注入所述核素及取样；
40.步骤s6，所述核素的扩散及取样。
41.进一步，
42.在所述步骤s1中，具体操作包括：打开所述第五电磁阀、所述第七电磁阀、所述第三电磁阀和所述第四电磁阀，通过所述氮气泵将所述源液池和所述取样池中的空气置换成高纯氮气，所述高纯氮气是指纯度为99.99％的氮气；所述源液池和所述取样池中多余的气
体排到所述第一废液池中，然后关闭所有阀门；
43.在所述步骤s2中，具体操作包括：打开所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第三电磁阀和所述第四电磁阀，利用所述蠕动泵使所述地下水渗透流过所述源液池和所述取样池，所述源液池和所述取样池中多余的所述地下水排到所述第一废液池中，然后关闭所有阀门；
44.在所述步骤s3中，具体操作包括：利用所述示踪剂加注装置将所述示踪剂加入到所述源液池中，待所述示踪剂在所述源液池中浓度均匀后，打开所述第五电磁阀和所述第六电磁阀，利用所述第一注射泵抽取部分所述源液，随后关闭所述第五电磁阀和所述第六电磁阀，打开所述第一切换阀切换至所述第二废液池，将所述第一注射泵中的所述源液的一部分排至所述第二废液池中；再将所述第一切换阀切换至所述第一样品瓶，将所述第一注射泵中的所述源液的一部分排至所述第一样品瓶中；再将切所述第一切换阀切换至所述第二废液池，使所述第一注射泵复位；最后利用所述氮气泵将所述第一切换阀中残留的液体吹空，关闭所有阀门；
45.在所述步骤s4中，具体操作包括：所述步骤s3完成后，经过一年至五年，所述源液池中的所述示踪剂透过所述扩散介质扩散至所述取样池中；定期对所述取样池进行取样，打开所述第七电磁阀和所述第八电磁阀，利用所述第二注射泵抽取所述取样池中的部分所述样液，关闭所述第七电磁阀、所述第八电磁阀，打开所述第二切换阀切换至所述第一废液池，将所述第二注射泵中的所述样液的一部分排至所述第一废液池中；再将所述第二切换阀切换至所述第二样品瓶，将所述第二注射泵中的所述样液的一部分排至所述第二样品瓶中；再将所述第二切换阀切换至所述第一废液池，使所述第二注射泵复位；最后利用所述氮气泵将所述第二切换阀中残留的液体吹空，关闭所有阀门；
46.在所述步骤s5中，具体操作包括：在所述步骤s4完成后，利用所述溶解装置将所述核素加入到所述源液池中，待所述核素在所述源液池中浓度均匀后，打开所述第五电磁阀和所述第六电磁阀，利用所述第一注射泵抽取部分所述源液，关闭所述第五电磁阀和所述第六电磁阀，打开所述第一切换阀切换至所述第二废液池，将所述第一注射泵中的所述源液的一部分排至所述第二废液池中；再将切所述第一切换阀切换至所述第一样品瓶，将所述第一注射泵中的所述源液的一部分排至所述第一样品瓶中；再将切所述第一切换阀切换至所述第二废液池，使所述第一注射泵复位；最后利用所述氮气泵将所述第一切换阀中残留的液体吹空，关闭所有阀门；
47.在所述步骤s6中，具体操作包括：所述步骤s5完成后，经过五年至十年，所述源液池中的所述核素透过所述扩散介质扩散至所述取样池中；定期对所述取样池进行取样，打开所述第七电磁阀和所述第八电磁阀，利用所述第二注射泵抽取所述取样池中的部分所述样液，关闭所述第七电磁阀和所述第八电磁阀，打开所述第二切换阀切换至所述第一废液池，将所述第二注射泵中的所述样液的一部分排至所述第一废液池中；再将所述第二切换阀切换至所述第二样品瓶，将所述第二注射泵中的所述样液的一部分排至所述第二样品瓶中；再将所述第二切换阀切换至所述第一废液池，使所述第二注射泵复位；最后利用所述氮气泵将所述第二切换阀中残留的液体吹空，关闭所有阀门。
48.本发明的有益效果在于：
49.1.本发明所提供的装置及方法能够用于真实地质环境中低氧地下水中的示踪剂
和核素的长期扩散试验，在低氧条件自动收集试验样品，获得的数据将为深地质处置库的安全评价提供科学依据。
50.2.本发明所提供的装置形状为细长圆柱体和地下实验室中的钻孔匹配，适合地下试验室的长期试验研究。
51.3.本发明所提供的装置采用自动控制系统可实现长期操控，设计中添加了排气装置和清洗排空程序，保证了采集数据的真实性可靠性。
52.4.本发明能够利用步骤s5中的核素溶解度试验的核素溶液(源液)进行扩散试验(扩散试验在步骤s6中进行)。
附图说明
53.图1是本发明具体实施方式中所述的一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置的示意图；
54.图中：1-原状地下水入口，2-蠕动泵，3-第一电磁阀(二位二通电磁阀)，4-第二电磁阀(二位三通电磁阀)，5-源液池，6-扩散介质，7-取样池，8-第三电磁阀(二位三通电磁阀)，9-第四电磁阀(二位二通电磁阀)，10-第一废液池，11-示踪剂加注装置，12-氮气泵，13-第五电磁阀(二位二通电磁阀)，14-第六电磁阀(二位二通电磁阀)，15-第一注射泵，16-第一切换阀，17-第一样品瓶，18-第二废液池，19-第七电磁阀(二位二通电磁阀)，20-第八电磁阀(二位二通电磁阀)，21-第二注射泵，22-第二切换阀，23-第二样品瓶，24-溶解装置，25-第一管线，26-第二管线，27-第三管线，28-第四管线，29-第五管线，30-第六管线，31-第七管线，32-第八管线，33-第九管线，34-第十管线，35-第十一管线，36-第十二管线，37-第十三管线，38-第十四管线，39-第十五管线，40-第十六管线。
具体实施方式
55.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
56.本发明提供的一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置(见图1)，用于地下实验室核素迁移试验中的地下水中的核素长期扩散试验，地下水为高放射性废物深地质安全处置的地下实验室所在位置的钻孔中获取的地下水，安装在地下实验室核素迁移长期监测设备中(本发明提供的扩散装置放置于内径为95毫米的钻孔中，外面通过管线与地下实验室核素迁移长期监测设备中的高压封堵密封系统引出的地下水、示踪剂加注装置11、溶解装置24和电子及压力控制系统相连)，包括连接地下水的源液池5，源液池5通过扩散介质6与取样池7相连，源液池5用于获得源液，源液是由示踪剂或核素与地下水混合得到，取样池7用于对样液进行取样，样液是指从源液池5中通过扩散介质6扩散后进入取样池7中的液体。
57.源液池5通过第一管线25连接地下实验室核素迁移长期监测设备上的原状地下水入口1，地下水通过原状地下水入口1经第一管线25进入源液池5；
58.第一管线25上由原状地下水入口1至源液池5依次串联设置蠕动泵2、第一电磁阀3和第二电磁阀4；
59.第二电磁阀4还通过第二管线26与取样池7相连；
60.第一电磁阀3为二位二通电磁阀，第二电磁阀4为二位三通电磁阀。
61.还包括第一废液池10，第一废液池10通过第三管线27与源液池5相连；
62.第三管线27上由源液池5至第一废液池10依次串联设置第三电磁阀8和第四电磁阀9；
63.第三电磁阀8还通过第四管线28与取样池7相连；
64.第三电磁阀8为二位三通电磁阀，第四电磁阀9为二位二通电磁阀。
65.还包括第二切换阀22，第二切换阀22通过第五管线29与取样池7相连；
66.第五管线29上由取样池7至第二切换阀22依次串联设置第八电磁阀20和第二注射泵21；
67.第二切换阀22还通过第六管线30连接第一废液池10；
68.第二切换阀22还通过第七管线31连接第二样品瓶23；
69.第八电磁阀20为二位二通电磁阀。
70.还包括第一切换阀16，第一切换阀16通过第九管线33与源液池5相连；
71.第九管线33上由源液池5至第一切换阀16依次串联设置第六电磁阀14和第一注射泵15；
72.第一切换阀16还通过第十管线34连接第一样品瓶17；
73.第一切换阀16还通过第十一管线35连接第二废液池18；
74.第六电磁阀14为二位二通电磁阀。
75.还包括氮气泵12，氮气泵12通过第十二管线36与源液池5相连，第十二管线36上设有第五电磁阀13，第五电磁阀13为二位二通电磁阀；
76.氮气泵12还通过第十三管线37与取样池7相连，第十三管线37上设有第七电磁阀19，第七电磁阀19为二位二通电磁阀；
77.氮气泵12还通过第十四管线38与第一切换阀16相连；
78.还包括与第十四管线38连接的第十五管线39，氮气泵12通过第十四管线38和第十五管线39与第二切换阀22相连。
79.还包括第八管线32，源液池5通过第八管线32与地下实验室核素迁移长期监测设备中的示踪剂加注装置11相连，用于获得示踪剂。
80.还包括第十六管线40，源液池5通过第十六管线40与地下实验室核素迁移长期监测设备中的溶解装置24相连，用于获得核素。
81.本发明还公开了用于如上所述的一种地下实验室核素迁移试验的扩散装置的一种地下实验室核素迁移试验的扩散方法，包括如下步骤：
82.步骤s1，对源液池5和取样池7进行排气；
83.步骤s2，对源液池5和取样池7进行注水；
84.步骤s3，向源液池5中注入示踪剂及取样；
85.步骤s4，示踪剂的扩散及取样；
86.步骤s5，向源液池5中注入核素及取样；
87.步骤s6，核素的扩散及取样。
88.在步骤s1中，具体操作包括：打开第五电磁阀13、第七电磁阀19、第三电磁阀8和第四电磁阀9，通过氮气泵12将源液池5和取样池7中的空气置换成高纯氮气，高纯氮气是指纯度为99.99％的氮气；源液池5和取样池7中多余的气体排到第一废液池10中，然后关闭所有阀门；
89.在步骤s2中，具体操作包括：打开第一电磁阀3、第二电磁阀4、第三电磁阀8和第四电磁阀9，利用蠕动泵2使地下水缓慢渗透流过源液池5和取样池7，源液池5和取样池7中多余的地下水排到第一废液池10中，然后关闭所有阀门；
90.在步骤s3中，具体操作包括：利用示踪剂加注装置11将示踪剂加入到源液池5中，待示踪剂在源液池5中浓度均匀后，打开第五电磁阀13和第六电磁阀14，利用第一注射泵15抽取部分源液，随后关闭第五电磁阀13和第六电磁阀14，打开第一切换阀16切换至第二废液池18，将第一注射泵15中的源液的一部分(少量)排至第二废液池18中；再将第一切换阀16切换至第一样品瓶17，将第一注射泵15中的源液的一部分(定量)排至第一样品瓶17中；再将切第一切换阀16切换至第二废液池18，使第一注射泵15复位；最后利用氮气泵12将第一切换阀16中残留的液体吹空，关闭所有阀门；
91.在步骤s4中，具体操作包括：步骤s3完成后，经过一年至五年，源液池5中的示踪剂透过扩散介质6扩散至取样池7中；定期对取样池7进行取样，打开第七电磁阀19和第八电磁阀20，利用第二注射泵21抽取取样池7中的部分样液，关闭第七电磁阀19、第八电磁阀20，打开第二切换阀22切换至第一废液池10，将第二注射泵21中的样液的一部分(少量)排至第一废液池10中；再将第二切换阀22切换至第二样品瓶23，将第二注射泵21中的样液的一部分(定量)排至第二样品瓶23中；再将第二切换阀22切换至第一废液池10，使第二注射泵21复位；最后利用氮气泵12将第二切换阀22中残留的液体吹空，关闭所有阀门；
92.在步骤s5中，具体操作包括：在步骤s4(示踪剂扩散试验)完成后，利用溶解装置24将核素加入到源液池5中，待核素在源液池5中浓度均匀后，打开第五电磁阀13和第六电磁阀14，利用第一注射泵15抽取部分源液，关闭第五电磁阀13和第六电磁阀14，打开第一切换阀16切换至第二废液池18，将第一注射泵15中的源液的一部分(少量)排至第二废液池18中；再将切第一切换阀16切换至第一样品瓶17，将第一注射泵15中的源液的一部分(定量)排至第一样品瓶17中；再将切第一切换阀16切换至第二废液池18，使第一注射泵15复位；最后利用氮气泵12将第一切换阀16中残留的液体吹空，关闭所有阀门；
93.在步骤s6中，具体操作包括：步骤s5完成后，经过五年至十年，源液池5中的核素透过扩散介质6扩散至取样池7中；定期对取样池7进行取样，打开第七电磁阀19和第八电磁阀20，利用第二注射泵21抽取取样池7中的部分样液，关闭第七电磁阀19和第八电磁阀20，打开第二切换阀22切换至第一废液池10，将第二注射泵21中的样液的一部分(少量)排至第一废液池10中；再将第二切换阀22切换至第二样品瓶23，将第二注射泵21中的样液的一部分(定量)排至第二样品瓶23中；再将第二切换阀22切换至第一废液池10，使第二注射泵21复位；最后利用氮气泵12将第二切换阀22中残留的液体吹空，关闭所有阀门。
94.本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，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。