退役核設(shè)施不銹鋼中氚的分析

文 煒，孫 宇，邱永梅，但貴萍

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621900）

氚操作設(shè)施及核電站有大量氚污染不銹鋼部件，在這些核設(shè)施拆除或退役時，需估算上述部件中氚的盤存量。對上述氚污染不銹鋼部件中氚活度進行分析測定，以便為退役方案設(shè)計提供依據(jù)，為環(huán)境影響評價和放射性廢物處理提供數(shù)據(jù)。

氚主要以氚化水（HTO）形式存在于不銹鋼中，同時還有少量的 HT［1］。由于氚是純β核素，衰變時發(fā)出的β射線能量很低，無法直接測量材料中的氚活度，只能將樣品中的氚通過物理或化學(xué)方法處理成氚化水，使其與材料基體分離，再用液體閃爍譜儀對收集的氚水進行測定。

國內(nèi)外對氚污染金屬的加熱解析方法均已開展了相應(yīng)研究。楊懷遠等［2］建立了含氚金屬樣品中氚含量的測定方法：不銹鋼介質(zhì)的固體粉末樣品在500℃下解析3 h，解析率≥93%。Elliot［3］在薩凡納河的再利用項目中，研究了不銹鋼樣品中氚的去污，結(jié)果表明，載氣為Ar或Ar和5%H2，在800℃下，不銹鋼中氚的去污因子最大為104。馬曉等［4］研制了一套可用于測量金屬樣品中全氚的高溫解析裝置。該裝置采用高頻高溫加熱，800℃下解析2 h，氚的解析率為97%。

本研究擬采用高溫解析的方法收集不銹鋼樣品中的氚，并設(shè)計一套氚高溫加熱解析系統(tǒng)［5］，對影響不銹鋼樣品中氚回收率的解析溫度、解析時間、催化劑氧化效率、冷阱回收率等因素進行條件優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上建立滿足核設(shè)施退役不銹鋼樣品中氚測定要求的制樣流程。

1 實驗器材

1.1 主要試劑

閃爍液：Mult Gol d LLT，PE公司；線狀氧化銅：分析純，成都市科龍化工試劑廠；壓縮空氣：成都金克星氣體分公司。

1.2 主要儀器

高溫?zé)峤馕鲅b置：實驗室自制；2550液體閃爍譜儀：美國PACKARD公司；JJ1000電子天平：常熟市雙杰測試儀器廠。

2 實驗部分

2.1 測量樣品

本研究選用的樣品是某核設(shè)施退役過程中的氚污染316L不銹鋼樣品，各樣品的特性列于表1。

表1 樣品特性

2.2 分析測量程序

不銹鋼樣品高溫?zé)峤馕鱿到y(tǒng)示意圖示于圖1。

將3個冷凝瓶串接置于電子冷阱中，保持溫度在－20℃，一端接入解析系統(tǒng)，另一端接真空泵，接通催化段加熱電爐電源。當催化段升溫到400℃時，打開石英管入口側(cè)管，稱取一定量不銹鋼樣品，放入石英樣品舟中，并加入8 mL蒸餾水，再將石英樣品舟放入加熱解析系統(tǒng)的解析段。連接好加熱解析系統(tǒng)，接通高溫?zé)峤馕龆渭訜犭姞t，開啟真空泵約30 s，使系統(tǒng)內(nèi)成負壓狀態(tài)，調(diào)節(jié)壓縮空氣60～80 L／h。催化段溫度為700℃，將樣品在700℃下加熱解析1 h。

圖1 高溫?zé)峤馕鱿到y(tǒng)示意圖

解析停止后，斷開解析段電爐和催化段電爐的電源，停止通入壓縮空氣。取出冷凝瓶，將兩端封閉，置于自來水下沖淋，使瓶中的冰融化并升至室溫，將冷凝瓶外部的水擦干凈，合并3個瓶中的氚化水。取5 mL氚化水于測量瓶中，加入10 mL閃爍液進行液閃測量。

從石英管中取出樣品后，用酒精擦干凈石英管內(nèi)壁，重新接好系統(tǒng)，加入加濕氣體沖洗系統(tǒng)管道24 h以上，以除去管道內(nèi)壁及催化床中殘留的氚。

待測樣品中氚的比活度a（Bq／g）由（1）式計算：

式中，ns為樣品的計數(shù)率，min－1；nb為本底樣品的計數(shù)率，min－1；M 為冷凝瓶中總收集量，g；V為取待測液體的量，g；D為系統(tǒng)的氚解析系數(shù)，%；η為冷凝瓶對HTO的收集效率，%；m為鋼鐵樣品的質(zhì)量，g。

不銹鋼樣品中氚的解析率ρ按公式（2）計算：

式中，At為不銹鋼樣品在解析溫度為t時解析出的氚活度（Bq）。

對影響不銹鋼樣品中氚回收率的解析溫度、解析時間、催化劑氧化效率、冷阱回收率等因素進行條件優(yōu)化。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品解析溫度

連接好加熱解析系統(tǒng)，通入壓縮空氣60～80 L／h，將1號氚污染不銹鋼樣品在不同溫度下加熱解析1 h，其解析率列于表2。由表2可以看出，當解析溫度≥700℃時，不銹鋼樣品中氚的解析率＞97%。

3.2 解析時間

將氚污染不銹鋼樣品在700℃下解析不同時間，其解析率列于表3。由表3可以看出，加熱解析≥2 h時，不銹鋼樣品中氚的解析率可＞95%。

表2 不同解析溫度時不銹鋼樣品的解析率

表3 不同解析時間時不銹鋼樣品的解析率

3.3 催化劑的氧化效率

在本底不銹鋼樣品解析過程中加入已知量的氣態(tài)氚（HT，T2），經(jīng)催化劑線狀氧化銅（Cu O）催化氧化后由串接冷凝瓶收集，然后根據(jù)收集的HTO活度與加入的氚活度之比計算催化劑的氧化效率。在550℃下樣品解析3 h，加入氣態(tài)氚（HT，T2）的活度為29.8 MBq，收集的HTO活度經(jīng)化學(xué)回收率校正后為29.4 MBq，氧化銅的催化氧化效率為98.6%。

3.4 冷凝瓶對HTO的收集效率

參照文獻［5］對冷凝瓶的收集效率進行考察，結(jié)果列于表4。當冷凝溫度為－20℃時，三級串接冷凝瓶對HTO的收集效率＞99%。

表4 冷凝瓶的收集效率

4 結(jié) 論

氚污染不銹鋼樣品高溫解析系統(tǒng)中，當壓縮空氣流速為60～80 L／h、解析溫度和催化氧化溫度為700℃、冷凝收集溫度為－20℃、解析時間為2 h時，冷凝收集效率＞99%，催化氧化效率為98.6%，不銹鋼樣品中氚的解析率＞95%。本方法不需要制備粉末樣品，避免了不銹鋼制樣過程中氚的逸出，適合核設(shè)施退役不銹鋼樣品中氚的分析。

［1］ 但貴萍，熊禮麗，張東，等.退役氚污染不銹鋼材料中氚污染深度和化學(xué)組成［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（增刊）：134-138.

［2］ 楊懷元，劉衛(wèi)，溫雪蓮.反應(yīng)堆退役廢物中氚含量的測定方法研究［J］.輻射防護，1996，16（3）：203-208.

［3］ Elliot AC.Decontamination and melt recycling tritium contaminated stainless steel（u），DE95060140／HDM［R］.USA：National Technical Inf or mation Seveice，1995.

［4］ 馬曉，吳宏，孫天河，等.金屬樣品中全氚制樣方法研究［C］／／全國核與輻射設(shè)施退役學(xué)術(shù)交流會論文，綿陽：中國工程物理研究院，2007：268-271.

［5］ 石正坤，但貴萍，苑國琪，等.土壤中全氚的測定［J］.核化學(xué)與放射化學(xué)，2001，23（2）：125-128.