退役核設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 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900）

氚操作設施及核電站有大量氚污染不銹鋼部件，在這些核設施拆除或退役時，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，以便為退役方案設計提供依據，為環境影響評價和放射性廢物處理提供數據。

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。

國內外對氚污染金屬的加熱解析方法均已開展了相應研究。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，并設計一套氚高溫加熱解析系統［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化，在此基礎上建立滿足核設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

高溫熱解析裝置：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

不銹鋼樣品高溫熱解析系統示意圖示于圖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，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的解析段。連接好加熱解析系統，接通高溫熱解析段加熱電爐，開啟真空泵約30 s，使系統內成負壓狀態，調節壓縮空氣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 高溫熱解析系統示意圖

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壁，重新接好系統，加入加濕氣體沖洗系統管道24 h以上，以除去管道內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為樣品的計數率，min－1；nb為本底樣品的計數率，min－1；M 為冷凝瓶中總收集量，g；V為取待測液體的量，g；D為系統的氚解析系數，%；η為冷凝瓶對HTO的收集效率，%；m為鋼鐵樣品的質量，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化。

3 結果與討論

3.1 樣品解析溫度

連接好加熱解析系統，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氚（HT，T2），經催化劑線狀氧化銅（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，加入氣態氚（HT，T2）的活度為29.8 MBq，收集的HTO活度經化學回收率校正后為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 論

氚污染不銹鋼樣品高溫解析系統中，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組成［J］.原子能科學技術，2010，44（增刊）：134-138.

［2］ 楊懷元，劉衛，溫雪蓮.反應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］／／全國核與輻射設施退役學術交流會論文，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］.核化學與放射化學，2001，23（2）：125-128.