退役核设施不锈钢中氚的分析

文 炜，孙 宇，邱永梅，但贵萍

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900）

氚操作设施及核电站有大量氚污染不锈钢部件，在这些核设施拆除或退役时，需估算上述部件中氚的盘存量。对上述氚污染不锈钢部件中氚活度进行分析测定，以便为退役方案设计提供依据，为环境影响评价和放射性废物处理提供数据。

氚主要以氚化水（HTO）形式存在于不锈钢中，同时还有少量的 HT［1］。由于氚是纯β核素，衰变时发出的β射线能量很低，无法直接测量材料中的氚活度，只能将样品中的氚通过物理或化学方法处理成氚化水，使其与材料基体分离，再用液体闪烁谱仪对收集的氚水进行测定。

国内外对氚污染金属的加热解析方法均已开展了相应研究。杨怀远等［2］建立了含氚金属样品中氚含量的测定方法：不锈钢介质的固体粉末样品在500℃下解析3 h，解析率≥93%。Elliot［3］在萨凡纳河的再利用项目中，研究了不锈钢样品中氚的去污，结果表明，载气为Ar或Ar和5%H2，在800℃下，不锈钢中氚的去污因子最大为104。马晓等［4］研制了一套可用于测量金属样品中全氚的高温解析装置。该装置采用高频高温加热，800℃下解析2 h，氚的解析率为97%。

本研究拟采用高温解析的方法收集不锈钢样品中的氚，并设计一套氚高温加热解析系统［5］，对影响不锈钢样品中氚回收率的解析温度、解析时间、催化剂氧化效率、冷阱回收率等因素进行条件优化，在此基础上建立满足核设施退役不锈钢样品中氚测定要求的制样流程。

1 实验器材

1.1 主要试剂

闪烁液：Mult Gol d LLT，PE公司；线状氧化铜：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；压缩空气：成都金克星气体分公司。

1.2 主要仪器

高温热解析装置：实验室自制；2550液体闪烁谱仪：美国PACKARD公司；JJ1000电子天平：常熟市双杰测试仪器厂。

2 实验部分

2.1 测量样品

本研究选用的样品是某核设施退役过程中的氚污染316L不锈钢样品，各样品的特性列于表1。

表1 样品特性

2.2 分析测量程序

不锈钢样品高温热解析系统示意图示于图1。

将3个冷凝瓶串接置于电子冷阱中，保持温度在－20℃，一端接入解析系统，另一端接真空泵，接通催化段加热电炉电源。当催化段升温到400℃时，打开石英管入口侧管，称取一定量不锈钢样品，放入石英样品舟中，并加入8 mL蒸馏水，再将石英样品舟放入加热解析系统的解析段。连接好加热解析系统，接通高温热解析段加热电炉，开启真空泵约30 s，使系统内成负压状态，调节压缩空气60～80 L／h。催化段温度为700℃，将样品在700℃下加热解析1 h。

图1 高温热解析系统示意图

解析停止后，断开解析段电炉和催化段电炉的电源，停止通入压缩空气。取出冷凝瓶，将两端封闭，置于自来水下冲淋，使瓶中的冰融化并升至室温，将冷凝瓶外部的水擦干净，合并3个瓶中的氚化水。取5 mL氚化水于测量瓶中，加入10 mL闪烁液进行液闪测量。

从石英管中取出样品后，用酒精擦干净石英管内壁，重新接好系统，加入加湿气体冲洗系统管道24 h以上，以除去管道内壁及催化床中残留的氚。

待测样品中氚的比活度a（Bq／g）由（1）式计算：

式中，ns为样品的计数率，min－1；nb为本底样品的计数率，min－1；M 为冷凝瓶中总收集量，g；V为取待测液体的量，g；D为系统的氚解析系数，%；η为冷凝瓶对HTO的收集效率，%；m为钢铁样品的质量，g。

不锈钢样品中氚的解析率ρ按公式（2）计算：

式中，At为不锈钢样品在解析温度为t时解析出的氚活度（Bq）。

对影响不锈钢样品中氚回收率的解析温度、解析时间、催化剂氧化效率、冷阱回收率等因素进行条件优化。

3 结果与讨论

3.1 样品解析温度

连接好加热解析系统，通入压缩空气60～80 L／h，将1号氚污染不锈钢样品在不同温度下加热解析1 h，其解析率列于表2。由表2可以看出，当解析温度≥700℃时，不锈钢样品中氚的解析率＞97%。

3.2 解析时间

将氚污染不锈钢样品在700℃下解析不同时间，其解析率列于表3。由表3可以看出，加热解析≥2 h时，不锈钢样品中氚的解析率可＞95%。

表2 不同解析温度时不锈钢样品的解析率

表3 不同解析时间时不锈钢样品的解析率

3.3 催化剂的氧化效率

在本底不锈钢样品解析过程中加入已知量的气态氚（HT，T2），经催化剂线状氧化铜（Cu O）催化氧化后由串接冷凝瓶收集，然后根据收集的HTO活度与加入的氚活度之比计算催化剂的氧化效率。在550℃下样品解析3 h，加入气态氚（HT，T2）的活度为29.8 MBq，收集的HTO活度经化学回收率校正后为29.4 MBq，氧化铜的催化氧化效率为98.6%。

3.4 冷凝瓶对HTO的收集效率

参照文献［5］对冷凝瓶的收集效率进行考察，结果列于表4。当冷凝温度为－20℃时，三级串接冷凝瓶对HTO的收集效率＞99%。

表4 冷凝瓶的收集效率

4 结 论

氚污染不锈钢样品高温解析系统中，当压缩空气流速为60～80 L／h、解析温度和催化氧化温度为700℃、冷凝收集温度为－20℃、解析时间为2 h时，冷凝收集效率＞99%，催化氧化效率为98.6%，不锈钢样品中氚的解析率＞95%。本方法不需要制备粉末样品，避免了不锈钢制样过程中氚的逸出，适合核设施退役不锈钢样品中氚的分析。

［1］ 但贵萍，熊礼丽，张东，等.退役氚污染不锈钢材料中氚污染深度和化学组成［J］.原子能科学技术，2010，44（增刊）：134-138.

［2］ 杨怀元，刘卫，温雪莲.反应堆退役废物中氚含量的测定方法研究［J］.辐射防护，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］ 马晓，吴宏，孙天河，等.金属样品中全氚制样方法研究［C］／／全国核与辐射设施退役学术交流会论文，绵阳：中国工程物理研究院，2007：268-271.

［5］ 石正坤，但贵萍，苑国琪，等.土壤中全氚的测定［J］.核化学与放射化学，2001，23（2）：125-128.