量熱技術用于核材料衡算測量的研究進展

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中核材料總量，準確度和精密度較其它NDA方法高，對某些非均勻分布的物料，量熱法是唯一有效的測量方法。近年來由于現代科學技術的飛速發展，特別是材料科學和電子技術的飛速發展，提供了極其精確的測控裝置，優良的恒溫系統和高靈敏度的溫度測量工具。于是高靈敏度、高自動化的量熱儀不斷涌現，使量熱學、熱動力學蓬勃發展，學術研究非常活躍，應用的領域迅速擴展，在生物學、藥物化學、材料化學、地球化學、物理學、農學、醫學等領域和工業技術領域得到廣泛應用[1]。在核燃料循環中，可以通過測量核材料（主要是以α、β核素的材料）的熱效應確定放射性物質的質量或活度[2]。本文將從量熱法的工作機理入手，對量熱法用于核材料衡算測量的研究情況及相關問題進行了說明，以為后期該種方法的應用提供參考與借鑒。

1 量熱法工作機理及相關情況分析

1.1 量熱法工作機理說明

當核材料發生放射性衰變時，放出各種能量的射線，這些射線被量熱計的測量杯吸收后轉化成熱能。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，產生的功率可由式（1）給出：

式中：

Wu為未知熱源發出的功率(W)；

Q為α粒子發射體的總衰變能(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為未知熱源發出的功率(W)；

m為放射性核素的質量（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組分發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）可變為：

式中：

該方案也是目前的主流控制方式，具體的實際案例非常多，如?？冖瘢?×600 t/d）、株洲（2×500t/d）、哈爾濱（2×600t/d）、?？冖?（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） 等項目。以上項目均已長期投入運行。

M為樣品中核材料的總質量（g）；

Ri為單個放射性核素（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量M和有效比功率Peff，就可以計算出樣品產生的熱功率，也可以根據樣品的熱功率、放射性核素的豐度和比功率，計算樣品中钚的總質量。樣品的有效比功率可以通過經驗法測定或利用放射性核素豐度數據及各核素的比功率進行計算兩種方法[5]。經驗法即是用量熱計測量已知核材料總量的試樣的功率，并用單獨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量來計算每個樣品的有效比功率，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行計算的方法需要準確測量放射性核素的豐度。常規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算有效比功率所需的數據。

表1 含钚固體中放射性核素的核常數值

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、儀器穩定性好，被廣泛應用于核燃料循環樣品的測定。但是當核材料的含量較低時，環境溫度變化會帶來較大的干擾，影響測量精密度。

操作量熱計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測量室，達到平衡時讀出溫度傳感器的輸出，根據事先繪制的標定曲線或在與未知熱源同一功率水平下進行最精確的點標定，計算出樣品的功率。

伺服控制法是向量熱計提供電功率，以便在高于環境溫度時控制量熱計，在未知熱源放入量熱計室后，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大于未知熱源功率的10%～20%。

2 量熱法用于核燃料循環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的雙杯量熱計中測量了含钚材料。將钚氧化物包裝后放入量熱計測量室，達到平衡時讀出溫度傳感器的輸出，根據事先繪制的標定曲線計算出樣品的功率。對于含包裝總質量不大于1 kg，熱功率在1 W附近的樣品，在可以預測樣品熱功率條件下，使用置換法測量單個樣品所需時間在16～20 h，使用伺服控制法測量單個樣品所需時間為10～12 h。

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

用量熱計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誤差和系統誤差，這與測量系統和使用的方法有關，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

根據樣品中钚總量不同，對于2～1 000 g工業钚，利用放射性核素豐度數據及各核素的比功率計算钚總量的測量不確定度范圍為0.4%～0.5%。使用經驗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，單個樣品熱功率測量時間在14～18 h。由于氚是唯一的放射性同位素，所以分析不需要進行同位素測量。與PVT和MS法相比，量熱分析法的相對平均偏差為（-0.12±0.05）%（RSD平均）。

3 結語

通過研究發現，量熱法應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含钚物料、含氚物料的核材料總量進行直接測定。對于2～1 000 g工業钚，使用利用放射性核素豐度數據及各核素的比功率計算钚總量的測量不確定度范圍為0.4%～0.5%。使用經驗法測量钚總量的測量不確定度范圍為0.3%～0.4%。對于0.2～10 g氚，氚總量的測量不確定度范圍為0.3%～0.4%。可滿足核燃料循環中核材料衡算測量要求。