控制区空气HTO取样方法研究

2024-05-08罗雯丹

山东化工 2024年7期

罗雯丹

(中国原子能科学研究院,浙江嘉兴 314300)

氚设施控制区空气中的氚,氚化水含量占一定比重,氚化水对人体可能造成的危害较T2、HT等含氚气体对人体造成的危害大10 000倍[1]。因此,在工作场所环境监测中,空气中氚化水浓度是必测项目之一。

测氚电离室结构简单、线性宽,可连续直接测量。但电离室测量灵敏度低,探测下限为40 kBq/m3。由于探测限不能完全满足工作场所环境空气中氚浓度的监测要求,只作为放射性变化趋势的参考。间接法只采集空气中的氚化水,部分采样装置上配套小型催化氧化装置,将T2、HT等形态的氚转化为氚化水蒸气,然后取样[2]。常用空气中氚化水的取样方法有鼓泡法、冷凝法、干燥剂吸附法和冷冻法等,方法比较如表1所示。

表1 空气中HTO收集方法比较[3]

试验前提是针对控制区环境短时间取样后得出当前空气中HTO活度浓度。适用于控制区取样要求:操作简单、方便,测量数据稳定可靠,取样设备是否交叉污染对样品测量结果产生影响,在取样过程中是否会产生放射性废物,设备是否产生静电或电火花的风险。综合比较后确定3种适合的取样方式——鼓泡法、冷凝法及冷冻法。通过具体试验进一步比较3种取样方法在实际工作场所的实用性,验证其优缺点,选择适合的控制区空气取样方法,使测得的监测结果准确,操作方便。

1 试验准备

1.1 仪器设备

液体闪烁计数仪(Packard Tri-Carb 5100TR,计数效率49%);室内除湿机(除湿量50～100 L/d,5～32 ℃,RH:30%～90%;水箱容量≥1 L)。

1.2 主要材料

针筒注射器(50 mL);液氮储存瓶、液氮承装杯(搪瓷杯容量1 000 mL,带盖)、不锈钢金属托盘、防冻伤手套;电子温湿度计;液闪瓶(规格20.0 mL PE瓶);移液枪(规格1.0 mL);取样瓶(规格30 mL,PE瓶)。

1.3 主要试剂

闪烁液:UltimaGoldTM(PE公司生产);液氮。

1.4 名词解释

CPM:Count per minute 每分钟计数;tSIE:外标准转换谱指数;BG:Background 本底。

2 试验内容

2.1 针管、除湿机、液氮冷冻取样方法比较

2.1.1 针管空气取样操作流程

选取一支干净的针筒,使用超纯水清洗内外表面,针筒内吸取10 mL超纯水。取样时,将针筒头部略向下倾斜,缓慢、匀速向上拉动针筒活塞,确保针筒内超纯水中有气泡出现,针筒活塞拉至刻度30 mL,停止继续拉动,针筒头部朝上,缓缓将空气推出针筒,注意不要将水推出针筒,重复拉推步骤10次。将针管内10 mL的超纯水装入取样瓶中,取闪烁液10 mL,样品2 mL分别注入液闪瓶,摇匀后放入液闪谱仪进行测量30 min。

2.1.2 除湿机取样操作流程

将除湿机内水箱用清水冲洗后擦干后开启除湿机,并记录该房间温湿度,待液氮完全挥发后关闭除湿机,将水箱内收集到的水倒入取样瓶润洗一遍后开始取样,倒满取样瓶即可(约30 mL)并在盖上注明取样时间、地点及方法。将闪烁液10 mL、移液枪移取水样2 mL,分别注入液闪瓶内;摇匀后放入液闪谱仪内进行测量,测量时间30 min。

2.1.3 液氮冷冻法取样流程

在待取样房间内放置液氮承装杯(搪瓷水杯),水杯下垫有不锈钢金属托盘,将液氮缓缓倒入搪瓷杯内,注意液体飞溅防止冻伤,待液氮注入1 000 mL时停止,盖上杯盖,记录该房间温湿度,搪瓷杯外壁及不锈钢托盘上逐渐凝结大片冰霜。由于液氮易挥发、挥发速度快,为保证能收集到足够测量用的水样,30 min后再次加入1 000 mL的液氮。待液氮完全挥发且凝结在搪瓷杯外壁的冰霜融化成水后,将融化在杯内及托盘上的水样用注射器抽取入取样瓶内,收集到的水样约10～15 mL,在取样瓶盖上记录取样时间、地点及方法。取闪烁液10 mL、水样2 mL,分别注入液闪瓶内;摇匀后放入5110液闪谱仪内进行测量,测量时间30 min。

2.1.4 试验方案

试验目的:分析测量结果,比较三种方法是否适合控制区空气取样。

试验地点:B房间。

试验内容:同时开始使用针管空气取样,开启除湿机,倾倒液氮。待杯内液氮完全挥发后,关闭除湿机,保证取样时间相同。针管空气取样在开始、第二次倾倒液氮、液氮即将完全挥发时各取样一次,每次使用3支针管同时进行取样。测量样品前,取3个超纯水样品的测量结果作为测量所用仪器的本底水平。

记录房间温湿度、记录样品测量结果:CPM、tSIE。

2.1.5 数据处理

HTO活度浓度的计算公式:

式中:Eff——仪器效率,Eff=0.053 28+6.977 2×10-4×tSIE。

定义除湿机样品与液氮样品活度浓度相对偏差:

鼓泡法计算公式:

2.1.6 数据分析结果

结合表2和图1可知注射器取样法数据稳定性较低,且该方法的取样效率需通过进一步严密的实验获得,该取样方法有待进一步研究,故在控制区内环境取样,就目前现有条件,注射器取样法不适用。另外两种取样方法——除湿机与液氮采样所得到的样品放射性活度浓度差异很小,相对偏差均小于20%,两组数据重复性和稳定性好,可以认为两组数据来自同一总体,差异无统计学意义,两种方法可互相替代。但试验地点较单一,不能说明所用取样方法在控制区其他房间同样适用,且取样设备在不同活度浓度房间重复使用是否存在交叉污染风险,都有待进一步试验验证。

图1 B房间除湿机与液氮采集样品活度比较图

表2 针管、除湿机、液氮方法取样后的样品活度比较

2.2 液氮取样装置交叉污染验证试验

2.2.1 试验方案

试验目的:验证同套液氮取样装置在不同活度浓度的房间进行取样,对样品测量结果的影响。

试验地点:房间E、B、D、C,选择以上控制区房间进行取样的原因是:控制区所有房间的空气中HTO活度偏高,经前期调查,E、D、B房间空气中HTO活度较高,且与C房间相差较大,若存在交叉污染,对样品的测量结果影响明显。

试验内容:在E、B、D房间同时进行液氮冷冻法取样(取样装置全新),取样完成后冲洗取样装置并擦干。再将E、B、D房间的液氮取样装置放置于C房间内继续进行取样,并另外准备一套全新的液氮取样装置于C房间同时开始取样。将E、B、D取样装置放到C房间后收集到的空气样品与全新液氮取样装置收集到C房间的空气样品的活度浓度进行比较。

试验记录:各房间温湿度,各房间样品测量结果CPM、tSIE。

2.2.2 数据处理

2.2.3 数据分析

液氮取样装置交叉污染试验样品活度对比见表3。

表3 液氮取样装置交叉污染试验样品活度对比

由表3可知,在活度浓度较高房间取过样的液氮取样装置在活度浓度较低的房间进行取样时,样品活度与C房间标准样品活度的相对偏差小于±5%,样品放射性活度浓度相差很小,未对该房间样品测量结果造成影响,说明取样装置未被放射性污染,可以在不同房间交叉使用。

2.3 除湿机、液氮应用于控制区各房间取样的稳定性试验

2.3.1 试验方案

试验目的:验证除湿机与液氮取样法在控制区不同房间进行取样是否可行、稳定性良好,同时验证除湿机是否存在交叉污染风险。

试验地点:选择的房间均是空气中HTO浓度较高,且活度浓度在各个量级均有体现。

6月12日取样顺序:A、E、F、A→C、E→D、F→G、C→H,选择活度浓度相差不大(在同一量级上)的两个房间共用同一台除湿机。

6月18日取样顺序:A、C、D、A→E、C→F、D→H、E→H,D与H房间空气中HTO活度浓度相差较大。

6月24日取样顺序:C、D、B、B→A、C→F、D→E、F→H,B与A房间空气中HTO活度浓度相差较大。

6月30日取样顺序:A、F、C、A→B、F→E、C→D、D→H,先同时取3个活度浓度较低的房间,再取3个活度浓度较高的房间。

试验内容:在控制区选择的房间内分别使用除湿机及液氮冷冻法同时取样,由于除湿机及液氮取样装置数量有限,每次仅能使用3套在3个房间同时进行取样。待液氮完全挥发后关闭除湿机,保证取样时间相同。更换房间取样时,注意先清洗除湿机水箱及液氮杯、托盘并擦干。记录各房间温湿度,测量结果CPM、tSIE。

2.3.2 数据处理

ρ饱和=4.85×10[6.9×t/(230+t)]

式中:RH——相对湿度;

VML——测量样品体积;

ρ饱和——饱和水蒸气密度。

定义除湿机样品与液氮样品活度浓度相对偏差:

2.3.3 数据分析

结合图2～5和表4～7可知,除湿机样品活度与液氮样品活度的相对偏差小于20%,进一步证明在不同房间使用以上两种方式取样所得结果差别不大,都可用于控制区环境取样。但是个别房间除湿机采样结果远高于液氮采样结果(相差1个数量级),相对偏差大于80%,对这种情况进行分析:由上一试验已证明,液氮取样装置未被放射性活度浓度高的房间空气样品污染,液氮冷冻法取样的样品活度浓度值稳定,以其作为标准,分析除湿机的取样结果,尽管对除湿机水箱进行冲洗擦拭,但内部的冷凝部件却无法清洁,残留着取前一个房间的样品,故除湿机采样结果偏高。在活度浓度相差不大(同一数量级)的两个房间共用一台除湿机进行取样,或同一台除湿机先于低浓度房间取样后于高浓度房间取样,对取样结果无影响。