量熱技術(shù)用于核材料衡算測量的研究進(jìn)展

陳小潔 (中核四○四有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

用量熱法測定放射性物質(zhì)中核材料總量，準(zhǔn)確度和精密度較其它NDA方法高，對(duì)某些非均勻分布的物料，量熱法是唯一有效的測量方法。近年來由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是材料科學(xué)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，提供了極其精確的測控裝置，優(yōu)良的恒溫系統(tǒng)和高靈敏度的溫度測量工具。于是高靈敏度、高自動(dòng)化的量熱儀不斷涌現(xiàn)，使量熱學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)蓬勃發(fā)展，學(xué)術(shù)研究非?；钴S，應(yīng)用的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，在生物學(xué)、藥物化學(xué)、材料化學(xué)、地球化學(xué)、物理學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域和工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。在核燃料循環(huán)中，可以通過測量核材料（主要是以α、β核素的材料）的熱效應(yīng)確定放射性物質(zhì)的質(zhì)量或活度[2]。本文將從量熱法的工作機(jī)理入手，對(duì)量熱法用于核材料衡算測量的研究情況及相關(guān)問題進(jìn)行了說明，以為后期該種方法的應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 量熱法工作機(jī)理及相關(guān)情況分析

1.1 量熱法工作機(jī)理說明

當(dāng)核材料發(fā)生放射性衰變時(shí)，放出各種能量的射線，這些射線被量熱計(jì)的測量杯吸收后轉(zhuǎn)化成熱能。測量杯溫度的變化通過檢測裝置的熱電堆電信號(hào)反映出來，從而可以得到钚的熱功率[3-4]。若未知源僅含一種放射性核素，產(chǎn)生的功率可由式（1）給出：

式中：

Wu為未知熱源發(fā)出的功率(W)；

Q為α粒子發(fā)射體的總衰變能(Mev)或β粒子的平均能量（Mev）；

m為放射性核素的質(zhì)量（g）；

T1/2為放射性核素的半衰期（a）；

A為放射性元素的原子量。

式（1）可以簡化為：

式中：

Wu為未知熱源發(fā)出的功率(W)；

m為放射性核素的質(zhì)量（g）；

P為放射性核素的比功率（W/g）。

如果熱源為含有放射性元素混合物的含钚材料，則該樣品的熱功率只能是其單個(gè)組分發(fā)射的可測量功率的總和，如式（3）所示：

如果放射性核素的豐度Ri已知，則式（3）可變?yōu)椋?/p>

式中：

該方案也是目前的主流控制方式，具體的實(shí)際案例非常多，如?？冖瘢?×600 t/d）、株洲（2×500t/d）、哈爾濱（2×600t/d）、海口Ⅱ （2×600t/d）、珠海 （2×600 t/d）、蕪湖 （2×600 t/d）、石家莊（1×825 t/d）、寧波（3×750 t/d） 等項(xiàng)目。以上項(xiàng)目均已長期投入運(yùn)行。

M為樣品中核材料的總質(zhì)量（g）；

Ri為單個(gè)放射性核素（包括放射性子體）的豐度（g/g）；

Peff為材料的有效比功率（W/g）。

由式（4）可知，只要知道樣品中核材料的總質(zhì)量M和有效比功率Peff，就可以計(jì)算出樣品產(chǎn)生的熱功率，也可以根據(jù)樣品的熱功率、放射性核素的豐度和比功率，計(jì)算樣品中钚的總質(zhì)量。樣品的有效比功率可以通過經(jīng)驗(yàn)法測定或利用放射性核素豐度數(shù)據(jù)及各核素的比功率進(jìn)行計(jì)算兩種方法[5]。經(jīng)驗(yàn)法即是用量熱計(jì)測量已知核材料總量的試樣的功率，并用單獨(dú)的方法分析核材料含量，用試樣測得的熱功率和試樣中核材料的質(zhì)量來計(jì)算每個(gè)樣品的有效比功率，如式（5）所示：

式中：

Peff為樣品的有效比功率（W/g）；

Wa為用量熱計(jì)測得的試樣的熱功率（W）；

利用放射性核素豐度及各核素的比功率進(jìn)行計(jì)算的方法需要準(zhǔn)確測量放射性核素的豐度。常規(guī)采用該方法測定樣品的有效比功率，表1提供了钚總量測量中計(jì)算有效比功率所需的數(shù)據(jù)。

表1 含钚固體中放射性核素的核常數(shù)值

1.2 量熱法用于核材料衡算測定情況說明

量熱測定核材料總量操作程序簡單、儀器穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于核燃料循環(huán)樣品的測定。但是當(dāng)核材料的含量較低時(shí)，環(huán)境溫度變化會(huì)帶來較大的干擾，影響測量精密度。

操作量熱計(jì)最常用的方法大致可以分為兩類：置換法和伺服控制法。置換法即未知熱源被與樣品的釋熱水平大約相同的已知電源或放射性的核素置換。將未知熱源放入量熱計(jì)測量室，達(dá)到平衡時(shí)讀出溫度傳感器的輸出，根據(jù)事先繪制的標(biāo)定曲線或在與未知熱源同一功率水平下進(jìn)行最精確的點(diǎn)標(biāo)定，計(jì)算出樣品的功率。

伺服控制法是向量熱計(jì)提供電功率，以便在高于環(huán)境溫度時(shí)控制量熱計(jì)，在未知熱源放入量熱計(jì)室后，維持恒溫所需的電功率減小，因此新的控制功率加上未知熱源的功率應(yīng)等于原來的控制功率。為使該方法獲得最佳成果，原來的控制功率不應(yīng)大于未知熱源功率的10%～20%。

2 量熱法用于核燃料循環(huán)中核材料總量測定的研究情況分析

2.1 量熱法用于钚氧化物中钚總量測定的分析

該方法是使用量熱計(jì)測量钚氧化物熱功率，用鋁塊做配重，在直徑為120 mm、高度為200 mm的雙杯量熱計(jì)中測量了含钚材料。將钚氧化物包裝后放入量熱計(jì)測量室，達(dá)到平衡時(shí)讀出溫度傳感器的輸出，根據(jù)事先繪制的標(biāo)定曲線計(jì)算出樣品的功率。對(duì)于含包裝總質(zhì)量不大于1 kg，熱功率在1 W附近的樣品，在可以預(yù)測樣品熱功率條件下，使用置換法測量單個(gè)樣品所需時(shí)間在16～20 h，使用伺服控制法測量單個(gè)樣品所需時(shí)間為10～12 h。

將試樣取樣分析同位素組分，利用表1中參數(shù)和公式（4）計(jì)算得到樣品中钚總量。钚總量的測量范圍為2～1 000g。钚總量測量結(jié)果與钚氧化物中核材料的元素分布無關(guān)。通過采用電標(biāo)準(zhǔn)直接校準(zhǔn)量熱計(jì)，熱功率測量結(jié)果可溯源至國家測量系統(tǒng)。對(duì)于含钚物品，α衰變釋熱通常是主要熱源，其他干擾通?？梢院雎圆挥?jì)。

用量熱計(jì)分析測定钚總量的不確定度歸因于熱功率測量和有效比功率測定工作中的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，這與測量系統(tǒng)和使用的方法有關(guān)，可能的誤差來源如表2所示。

表2 钚總量測量可能的誤差來源匯總表

根據(jù)樣品中钚總量不同，對(duì)于2～1 000 g工業(yè)钚，利用放射性核素豐度數(shù)據(jù)及各核素的比功率計(jì)算钚總量的測量不確定度范圍為0.4%～0.5%。使用經(jīng)驗(yàn)法測量钚總量的測量不確定度范圍為0.3%～0.4%。

2.2 量熱法用于氚化合物中氚總量測定的分析

用量熱法測量容器中氚的量，單個(gè)樣品熱功率測量時(shí)間在14～18 h。由于氚是唯一的放射性同位素，所以分析不需要進(jìn)行同位素測量。與PVT和MS法相比，量熱分析法的相對(duì)平均偏差為（-0.12±0.05）%（RSD平均）。

3 結(jié)語

通過研究發(fā)現(xiàn)，量熱法應(yīng)用在核燃料衡算測量中完全可行，可使用置換法或伺服控制法對(duì)含钚物料、含氚物料的核材料總量進(jìn)行直接測定。對(duì)于2～1 000 g工業(yè)钚，使用利用放射性核素豐度數(shù)據(jù)及各核素的比功率計(jì)算钚總量的測量不確定度范圍為0.4%～0.5%。使用經(jīng)驗(yàn)法測量钚總量的測量不確定度范圍為0.3%～0.4%。對(duì)于0.2～10 g氚，氚總量的測量不確定度范圍為0.3%～0.4%?？蓾M足核燃料循環(huán)中核材料衡算測量要求。