中性硅酮膠用于氚污染不銹鋼的暫時性封閉

張 莉,張 東,但貴萍,文 煒

1.中國工程物理研究院,四川綿陽 621900;

2.西南科技大學環(huán)境與資源學院,四川綿陽 621010

中性硅酮膠用于氚污染不銹鋼的暫時性封閉

張 莉1,2,張 東1,但貴萍1,文 煒1

1.中國工程物理研究院,四川綿陽 621900;

2.西南科技大學環(huán)境與資源學院,四川綿陽 621010

為獲得氚污染不銹鋼的暫時性封閉材料,在對中性硅酮膠膠膜進行表面形貌和比表面積分析的基礎(chǔ)上,用其在316L氚污染不銹鋼模擬樣品上進行了暫時性封閉實驗。結(jié)果表明:膜厚度、時間、水和水溫這些因素對封閉效果的影響很小。

中性硅酮膠;封閉;氚;不銹鋼

Abstract:In order to find a p roper material for temporarily sealing tritium-contaminated stainless steel,the surface morphology and specific surface area of neutral silicone sealant film were characterized in this paper.Base on it,the tempo rary sealing experiments were carried onmodeling samp lesof tritium-contaminated 316L stainless steelw ith neutral silicone sealant.It show s that the influence of four facto rs such as film thickness,sto rage time,w ater leaching at different temperatures are not obvious.

Key words:neutral silicone sealant;sealing;tritium;stainless steel

氚是氫的放射性同位素,它的半衰期為12.3 a,發(fā)射出的β射線的最大能量為18.5 keV,因此屬于強滲透性和低毒性的放射性核素[1-2]。目前在氚操作場所有大量的含氚污染不銹鋼部件,在對這些不銹鋼進行解體、運輸過程中,污染物表面的氚極易因輕微的擾動而逸出。為了防止氚的這種擴散,在氚污染不銹鋼表面涂覆暫時性封閉層極具實際意義。

目前關(guān)于氚防護的研究大多是針對防止氚滲透的阻擋層進行的,如文獻[3]在316L不銹鋼表面涂覆的 TiN+TiC+TiN/SiO2復合涂層。而在防止氚擴散的封閉材料方面只有少量應(yīng)用報道,如美國洛斯阿拉莫斯國家實驗所 Harper等[4]在氚污染實驗室退役過程中將屋面瀝青、油灰?guī)Ш鸵环N硅橡膠黏合劑應(yīng)用于封閉氚污染不銹鋼。本工作選用中性硅酮膠作為氚污染不銹鋼的暫時性封閉材料,它是有機硅氧化物的聚合物,其特點是膠體固化后耐水性、柔韌性強[5],易剝離。實驗在對中性硅酮膠膠膜作透氣性考察的基礎(chǔ)上,用其在316L氚污染不銹鋼模擬樣品表面制成封閉膜(即用于封閉的中性硅酮膠膜),測試封閉效果。

1 實驗部分

1.1 主要材料與儀器

氚污染316L不銹鋼模擬樣品,φ50 mm;793-A中性硅酮膠,透明,廣東省佛山市宏英實業(yè)有限公司。

S440立體掃描電子顯微鏡,放大倍數(shù)為5～30萬倍,Leica Cambrige L TD;NOVA 3000高速自動比表面與孔隙度分析儀,測量范圍為0.35～200 nm,美國康塔公司;JE-3表面氚污染測量儀,探測效率為49%,有效探測面積為20 cm2,中國工程物理研究院核物理與化學研究所;2550TR/LL液體閃爍分析儀,美國PACKARD公司。

1.2 實驗方法

將中性硅酮膠制成不同厚度的膜用以封閉不銹鋼,注膠后可用抹刀或木片修整其表面。由于膠膜固化是靠空氣中的水分,隨著膜厚度的增加,其實干時間相應(yīng)增長,如室溫20℃左右時,2 mm厚的膠膜實干時間為7 h。但要將中性硅酮膠作為氚污染不銹鋼的封閉材料還需考察其透氣性,故實驗首先進行了膠膜的表面形貌和比表面積分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠膜性能表征

2.1.1 表面形貌分析 圖1顯示了中性硅酮膠膜表面形貌,可看出膠膜表面致密光滑,無孔洞。

2.1.2 比表面積及孔隙度分析 經(jīng)比表面及孔隙度分析,所得膠膜等溫線圖示于圖2。分析所得中性硅酮膠膜的多點比表面數(shù)據(jù)低于儀器的比表面測定下限0.01 m2/g,且由圖2看出膠膜樣品對氮氣沒什么吸附,說明中性硅酮膠膠膜樣品無孔。

圖1 膠膜SEM圖譜(×5 000)Fig.1 SEM spectrogram(×5 000)

圖2 膠膜等溫線Fig.2 Isotherms

上述性能測試說明中性硅酮膠膠膜具有膜層致密、透氣性差、干燥時間短、柔韌性好和干后易剝離的優(yōu)點,滿足作為暫時性封閉材料的基本條件。

2.2 氚污染不銹鋼模擬樣品封閉實驗

選取3個受到不同程度氚污染的不銹鋼模擬樣品進行封閉實驗,表1給出了每個不銹鋼片兩個表面所含的氚量。

表1 氚污染不銹鋼表面氚量Table 1 Radioactivity on tritium-borne stainless steel

2.2.1 封閉膜厚度對氚釋出量的影響 在1、2和3號氚污染不銹鋼模擬樣品上分別制備厚度為

1、3、5 mm的封閉膜,測量封閉膜背側(cè)面(未接觸氚污染不銹鋼片一面)的氚量并按式(1)計算氚釋出率 Xij(表2)。假設(shè)氚污染不銹鋼內(nèi)部的氚沒有參與擴散和滲透,則:

式中,Xij為氚釋出率,i是樣品號,j是膜厚;A0為封閉前樣品表面總氚活度;A1為封閉膜背側(cè)面總氚活度。表2表明,當封閉膜厚度在1～5mm范圍內(nèi),樣品的氚釋出量均接近本底水平,氚釋出率小于4%。故在靜態(tài)條件下封閉膜厚度(1～5 mm)對樣品(活度小于4.7×104Bq)的封閉效果沒有影響。

表2 膜厚度對氚釋出量的影響Table 2 Influence of film thickness on the release of tritium

2.2.2 時間對氚釋出量的影響 將膜厚3mm的2號氚污染不銹鋼模擬樣品靜置兩個月后測量封閉膜背側(cè)面的氚量,測試數(shù)據(jù)顯示封閉膜背側(cè)面的氚量在兩個月后仍接近剛封閉時的水平(1Bq),這說明靜態(tài)條件下時間對封閉效果沒有影響。

2.2.3 水對氚釋出量的影響 室溫條件下((24±1)℃),取未封閉的氚污染不銹鋼模擬樣品作為對比樣品(浸泡前樣品表面氚活度為2.0×104Bq,在水中浸泡 2 h氚的釋出量為3.6×104Bq),與封閉的1、2和3號氚污染不銹鋼模擬樣品分別置于 55 mL蒸餾水(水溫(24±1)℃)中浸泡,考察水中的氚活度。實驗過程中每隔2 h取樣,每次取5m L水樣,共取2次。用液體閃爍儀測量水中的氚量并按式(2)計算氚釋出率Yij。假設(shè)氚污染不銹鋼內(nèi)部的氚沒有參與擴散和滲透,則

式中,Yij為封閉樣品在水中的氚釋出率;A0為封閉前樣品表面總氚活度;A2為封閉樣品在水中浸泡4 h后的氚釋出活度。水對氚釋出量的影響結(jié)果列于表3。由表3結(jié)果可知:(1)封閉樣品在水中的氚釋出量,均低于未封閉樣品;(2)樣品在水中的氚釋出率小于5%,與浸泡前的4%相差僅1%。故水對封閉效果影響很小。

表3 水對氚釋出量的影響Table 3 Influence of water on the release of tritium

2.2.4 水溫對氚釋出量的影響 將膜厚1 mm的1、2和3號樣品按照2.2.3節(jié)實驗方法置于室溫及60℃恒溫水浴中,考察此時水中的氚釋出率Yij,結(jié)果列于表4。表4數(shù)據(jù)顯示,在高于室溫的條件下,封閉樣品在水中的氚釋出量有所增加,氚釋出量最多的3號樣品比原來增加了近5倍,但觀察表4中的氚釋出率數(shù)據(jù),此時封閉樣品的氚釋出率均低于11%。故水溫的升高會影響封閉樣品的封閉效果,當水溫從24℃升至60℃時,氚釋出率增加了6%。

表4 水溫對氚釋出量的影響Table 4 Influence of water’s temperature on the release of tritium

3 結(jié) 論

實驗獲得了中性硅酮膠膠膜封閉氚污染不銹鋼模擬樣品的效果,即靜態(tài)條件下封閉樣品的氚釋出率小于5%。而各因素對封閉效果的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面:(1)靜態(tài)條件下,封閉膜厚度(1～5mm)和時間(兩個月)對封閉效果沒有影響;(2)水和水溫對封閉效果影響很小,相比于靜態(tài)條件下的氚釋出率,水的浸泡使氚釋出率增加了1%;當水溫從24℃升至60℃,氚釋出率增加了6%。

[1] 宋妙發(fā),張亦忠.核環(huán)境學基礎(chǔ)[M].北京:原子能出版社,1996:81.

[2] International Commission on Radiological Protection[R].ICRP Publication 2.Pergamon Press,1959.

[3] Yao Zhenyu,Hao Jiakun,Zhou Changshan,et al.The Permeation of Tritium Through 316L Stainless With M ultip le Coatings[J].J Nucl Mater,2000,283/287:1 287-1 291.

[4] Harper JR,Garde R.The Decommissioningof a Tritium-Contaminated Laboratory[R].New Mexico:Los Alamos National Laboratory,1981:11.

[5] 王海平.室內(nèi)裝飾工程手冊[M].第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998:141.

Tem porarily Sealing Tritium-Con tam inated Stain less Steel W ith Neutral Silicone Sealant

ZHANG Li1,2,ZHANG Dong1,DAN Gui-ping1,W EN Wei1

1.China Academy of Engineering Physics,M ianyang 621900,China;
2.School of Environment and Resource,Southwest University of Science and Technology,M ianyang 621010,China

TL 941

A

0253-9950(2011)01-0057-04

2009-10-13;

2009-12-30

張 莉(1985—),女,四川南充蓬安人,碩士研究生,安全工程專業(yè)核安全方向