红外吸收光谱法测量六氟化铀浓度的装置设计

瞿定荣 李媛媛

摘 要：UF6是核燃料加工产业中的重要原料，由于其放射性和化学毒性，UF6一旦泄漏将对人身安全造成巨大威胁。目前国内对UF6泄漏事故的研究甚少，该文提出了一种基于吸收光谱法的装置设计方案，用于探测UF6泄漏时空气中UF6的浓度。该装置可在UF6泄漏事故中实时监测UF6浓度，为制定应急响应和现场救援提供辅助决策。

关键词：红外吸收光谱法 测量六氟化轴浓度 装置设计原理

中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（b）-0009-03

中国的能源结构正向清洁低碳化发展，在这场能源结构调整中，核电始终被寄予厚望。随着我国核电规模的日益扩大，人们对核能利用的关注度也越来越高，安全、绿色成为新形势下核能发展的重要方向[1]。核能的利用离不开核燃料的加工，UF6是核燃料加工产业中极为重要的工作介质，铀纯化转化、铀浓缩、元件加工环节都有它的身影[2]。UF6具有放射性与化学毒性，对人的肾脏和肺部具有致命性损伤。同时，UF6极易水解，可以与空气中的水蒸气迅速反应生成UO2F2和HF，HF具有強酸性，对皮肤有强烈刺激和腐蚀作用[3]。因此，预防UF6的泄漏，并在泄漏事故发生后实时监测UF6浓度，制定高效的应急响应和救援计划[4]，最大限度地减少事故对人身安全伤害，是核燃料加工行业安全工作的重要环节。基于以上分析，该文采用红外吸收光谱法，研发了一种事故应急时用于测量空气中UF6泄漏浓度的装置。

1 装置设计原理

红外吸收光谱法是根据测量分子对特征吸收谱线的吸收，进行定性定量的一种分析方法[5]，它可测量气体、溶液中某一组分的浓度，具有灵敏度高、分析精度高等优点。UF6在红外光谱区具有明显的特征峰，因此，可以根据吸收峰的强度确定UF6的相对浓度。同时，根据李庭华等人的实验结果[6]，UF6在常温条件下对16 μm的红外光的吸收是非常灵敏的，因此，红外吸收光谱法可以作为对UF6泄漏浓度进行有效鉴别和实时监测的技术手段。

2 吸收光谱法探测装置的设计

基于红外吸收光谱法的UF6气体浓度探测装置由激光器、分光镜、光电接收器和查分放大器组成，装置设计方案如图2所示。

探测激光选用可调谐半导体激光器，激光频率可在16 μm附近做无跳模扫描，探测激光频率扫描周期，范围可由信号发生器输出的三角波控制。激光经分光镜作用可沿3个路径运动。光路1的激光经过UF6气体标准样品池，在光电接收器1处得到吸收峰。此吸收峰用于标定UF6特征吸收峰在吸收光谱中的位置。光路2密封在整个仪器中，不与空气接触，最终进入光电接收器2，作用是测定激光功率随激光波长的变化规律，作为差分放大器的基础输入信号。光路3直接暴露在空气中，用于空气中存在六氟化铀时，光电接收器3处能够获得UF6特征吸收谱线。

2.1 标准样品池的设计

通常可以采用两种方法判断激光波长是否处于UF6的特征吸收峰附近，一种是波长计测量法；另一种是标准样品池法。第一种方法需要激光在UF6特征吸收峰附近做频率扫描，然后对激光波长进行测量，来确定此波长就是UF6特征吸收峰光谱。满足这种要求的波长计价格昂贵且体积较大，将极大地增加装置的设计成品。因此，该文采用标准样品池法，将常温下密闭容器中的低气压UF6标准样品代替波长计，用以标定UF6的特征吸收峰。这样，只要在光路1中出现UF6吸收峰，就可以确定激光的频率是满足要求的，并确定UF6特征吸收峰在吸收光谱中的位置。这样的设计可以尽可能地减小装置的体积和设计成本。

2.2 差分放大器测量吸收光谱

装置设计的体积越小，操作起来更方便，因此，如图2所示的装置设计方案中，光路3在空气中暴露的长度以及光路3的吸收长度越短越好。在这种情况下，当空气中的UF6浓度很低时，对光路3中激光的吸收比例是非常低的，这种低吸收比例的情况称为弱吸收。

3 结语

UF6是铀浓缩和铀转化过程中的重要原料，其放射性和化学毒性对人身有巨大伤害。该文基于红外吸收光谱法，设计了测定六氟化铀西楼浓度的装置，装置采用标准样品池标定UF6的特征吸收谱，差分放大方法测量吸收光谱，获得UF6的泄漏浓度。装置设计合理、成本较低，具有很强的可行性和实用价值，可以在UF6泄漏事故中为应急响应提供辅助决策。装置设计还需要在实验中加以验证和改进。

参考文献

[1] 环境保护部（国家核安全局）.核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标[M].北京：科学出版社，2013.

[2] Nair S K，Chambers D B，Park S H， etal. Review of models used fordetermining consequences of UF6 release： development of model evaluation criteria（NUREGKR-6481）[R].Washington， DC （United States）：Nuclear Regulatory Commission，1997.

[3] 周济人.国外六氟化铀泄漏事故调研分析[J].辐射防护通讯，1992（5）：23-29.

[4] 陈海龙.UF6泄漏事故后果评价研究进展[J].辐射防护通讯，2013，33（3）：16-20.

[5] 允魁.红外吸收光谱法及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，1993.

[6] 李庭华，侯惠奇，刘秀.六氟化铀的红外吸收光谱[J].原子能科学技术，1983（5）：588-591.

[7] 罗达峰，杨建华，仲崇贵.基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术[J].光谱学与光谱分析，2011，31（2）：384-386.

[8] 宋增云，瞿定荣，范凤英.一种测量弱吸收条件下锂同位素比率的新方法[J].原子能科学技术，2014，48（1）：823-827.