蔣 兵 夏 莉 安 力 文 煒 何 鐵 張 杰 李建一 丁琰琰馬占文 黃智武 王俊潤(rùn) 盧小龍 姚澤恩

1（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）2（中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽(yáng) 621900）

基于鋁箔封裝碳酸鋰探測(cè)片產(chǎn)氚率測(cè)量的液閃樣品制備方法

蔣 兵1,2夏 莉1安 力2文 煒2何 鐵2張 杰1李建一1丁琰琰1馬占文1黃智武1王俊潤(rùn)1盧小龍1姚澤恩1

1（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）
2（中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽(yáng) 621900）

氚增殖包層中產(chǎn)氚率的測(cè)量是聚變核能系統(tǒng)中需要研究的重要問(wèn)題之一，本文開展了用于產(chǎn)氚率測(cè)量的Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片液閃樣品制備化學(xué)處理方法的研究。結(jié)果表明，首先采用氫氧化鈉溶液來(lái)溶解Al箔，然后再用鹽酸溶解碳酸鋰探測(cè)片的溶解方式，能制成透明度高且無(wú)分層的液閃樣品。為了提高測(cè)氚計(jì)數(shù)效率和保證樣品兼容性，對(duì)20 mL的標(biāo)準(zhǔn)液閃樣品，閃爍液體積應(yīng)至少取12 mL，同時(shí)還應(yīng)將液閃樣品保持在10?20 °C范圍進(jìn)行儲(chǔ)存和測(cè)量。

Al箔，碳酸鋰，液閃樣品，產(chǎn)氚率測(cè)量

在以D-T反應(yīng)的聚變核能利用系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)氚“自持”，需要對(duì)氚進(jìn)行增殖，即在聚變堆包層中加入Li的化合物，依靠聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子泄漏到包層與Li發(fā)生核反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生氚[1]。預(yù)先進(jìn)行Li化合物經(jīng)中子輻照后的產(chǎn)氚率(Tritium Production Rate, TPR)測(cè)量是重要的課題。測(cè)氚技術(shù)主要有內(nèi)充氣正比計(jì)數(shù)器法、液體閃爍體探測(cè)器法等[2?4]，相比較而言，液體閃爍體探測(cè)器法因其具有高的可靠性和準(zhǔn)確性，已被廣泛應(yīng)用于氚計(jì)量測(cè)量和聚變堆包層產(chǎn)氚率測(cè)量研究[5?9]。在利用液體閃爍體探測(cè)技術(shù)開展聚變堆包層TPR研究中，首先需要采用合適的化學(xué)方法，將Li化合物溶解，并與一定量的閃爍液混合，制成混合均勻、互溶性很好的液態(tài)樣品，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氚率的準(zhǔn)確測(cè)量。針對(duì)不同的Li化合物產(chǎn)氚材料，需要尋找最佳溶劑和工藝，以便與閃爍液很好相溶，即制成無(wú)沉淀和無(wú)分層的液態(tài)測(cè)試樣品。

碳酸鋰(Li2CO3)作為具有易溶解性的Li化合物，是產(chǎn)氚率測(cè)量材料之一[10]，經(jīng)中子輻照后，主要以LiOT的形式儲(chǔ)氚[11]。在我們的研究中，擬采用碳酸鋰材料作為產(chǎn)氚率測(cè)量的探測(cè)片。為了避免探測(cè)片在中子輻照過(guò)程中因氚的逃逸造成對(duì)氚增殖率評(píng)估不準(zhǔn)的問(wèn)題，計(jì)劃采用Al箔將碳酸鋰封裝，然后再進(jìn)行中子輻照，輻照后的包鋁碳酸鋰片，需進(jìn)行樣品制備才能用于液閃測(cè)量。根據(jù)上述計(jì)劃，不僅需要研究Li2CO3的溶解問(wèn)題，還需要研究Al箔的溶解問(wèn)題，同時(shí)還需要解決溶解液與閃爍液的互溶性問(wèn)題。有關(guān)Li2CO3的化學(xué)處理方法已有很多的研究報(bào)導(dǎo)[10,12]，但鮮有對(duì)Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片的化學(xué)處理研究。本文的主要目的是開展用于液閃法產(chǎn)氚率測(cè)量的Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片液閃樣品制備方法的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片的制備

采用碳酸鋰粉末制備探測(cè)片，探測(cè)片的直徑為15 mm、厚度約為1 mm、質(zhì)量約為500 mg。樣品進(jìn)行中子輻照時(shí)發(fā)生6Li(n,α)T反應(yīng)產(chǎn)生的氚(T)粒子的動(dòng)能約為2.73 MeV[9]，在碳酸鋰探測(cè)片表面產(chǎn)生的T粒子有可能逃逸出探測(cè)片，造成產(chǎn)氚率測(cè)量不準(zhǔn)。為了防止輻照過(guò)程中T的逃逸，采用Al箔來(lái)封裝探測(cè)片。在確定封裝Al箔的厚度時(shí)，采用SRIM程序[13]對(duì)動(dòng)能為2.73 MeV的T粒子在Al中射程進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，40 μm的Al箔足以阻擋T的穿透，故采用厚度40 μm的Al箔對(duì)碳酸鋰探測(cè)片進(jìn)行封裝，Al箔的質(zhì)量約為40 mg。

1.2 液閃樣品的制備流程

根據(jù)液體閃爍體氚測(cè)量技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)中子輻照后的Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片需要經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后與閃爍液混合呈無(wú)分層均勻混合溶液，才能實(shí)現(xiàn)氚的準(zhǔn)確測(cè)量。前期的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)法直接采用酸將Al箔完全溶解，故本研究采取如圖1所示的流程來(lái)制備液閃樣品，并由此研究所制樣品的特性，以便確定液閃樣品的最佳溶解方法。具體的樣品制備流程為：1) 將制備的Al箔(40 mg)封裝碳酸鋰

(500 mg)探測(cè)片放入標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯液閃測(cè)量瓶中（容積為20 mL），加入2 mL的氫氧化鈉溶液(5 mol·L?1)來(lái)溶解Al箔；2) 待Al箔溶解完全后，再用適量的酸來(lái)溶解碳酸鋰，本研究將分別采用硝酸、鹽酸、冰乙酸來(lái)溶解碳酸鋰；3) 待碳酸鋰完全溶解后，加入適量的蒸餾水，制成8 mL溶液；4) 再添加12 mL的Ultima Gold LLT閃爍液，制成20 mL測(cè)量樣品。

圖1 含Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片的化學(xué)處理流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of chemical process for lithium carbonate pellet with aluminum foil coat.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同酸對(duì)液閃樣品互溶性的影響

不同酸制備的探測(cè)片溶解液與閃爍液的淬滅程度是不一樣的，可能與閃爍液混合并不相容[10,14]。根據(jù)前面提到的液閃樣品的制樣要求，無(wú)論采用何種酸溶解碳酸鋰，最終目的是要使制備的液閃樣品成無(wú)分層均勻混合的液體。在圖1的化學(xué)處理工藝流程中，本節(jié)的主要目的是研究采用不同酸溶解碳酸鋰條件下，液閃樣品互溶性問(wèn)題。采用的酸分別為硝酸(65%?68%)、鹽酸(36.5%?38.5%)、冰乙酸加強(qiáng)酸（硝酸或鹽酸）。

固態(tài)樣品為40 mg Al箔和500mg Li2CO3，其各種材料的配比數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可以看出，采用硝酸、冰乙酸加硝酸、冰乙酸加鹽酸來(lái)溶解碳酸鋰，制成的液閃樣品均有明顯的分層，說(shuō)明上述幾種方法制備的液閃樣品互溶性差。而采用鹽酸來(lái)溶解碳酸鋰制成的液閃樣品無(wú)分層，故確定氫氧化鈉溶液(5 mol·L?1)加鹽酸來(lái)溶解Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片的方法可以作為將來(lái)的制樣工藝。

表1 制備參數(shù)及液閃樣品分層情況Table 1 Parameters of preparation process and liquid-liquid separation phenomenon of samples.

2.2 溫度對(duì)液閃樣品互溶性的影響

早先的研究已發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)液閃樣品互溶性也存在影響，溫度會(huì)增加淬滅分子的擴(kuò)散系數(shù)，增大淬滅碰撞幾率[14]。為了研究溫度對(duì)采用氫氧化鈉溶液加鹽酸方法制備的液閃樣品互溶性的影響，將制備好的樣品放置在不同溫度環(huán)境下靜置約5 h，觀察樣品的狀態(tài)。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度為4 °C時(shí)，液閃樣品狀態(tài)為渾濁、未分層；在10 °C、13 °C、17 °C、 20 °C時(shí)，狀態(tài)為透明、未分層；在24 °C、29 °C時(shí)，狀態(tài)為透明、分層；而在33 °C時(shí)，則為乳白色液體。由此可以看出，過(guò)低的溫度會(huì)造成液閃樣品變渾濁，過(guò)高的溫度會(huì)使樣品分層或乳化，即樣品的透明度變差，會(huì)影響氚測(cè)量的準(zhǔn)確性。在10?20 °C，樣品透明且未分層，另外，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，將分層的樣品振蕩搖勻后放入冰箱冷藏室(4 °C)靜置3 h以上，然后靜置在10?20 °C的環(huán)境中5 h以上，分層現(xiàn)象會(huì)消失。故可得出以下結(jié)論，制成的液閃樣品需要保存在10?20 °C的環(huán)境中，在測(cè)量過(guò)程中，也應(yīng)將樣品溫度保持在10?20 °C。

2.3 溶解液與閃爍液體積比對(duì)互溶性和計(jì)數(shù)效率的影響

閃爍液的用量過(guò)少，使閃爍液對(duì)溶解液的裝載能力減小，進(jìn)而影響樣品的互溶性和氚的計(jì)數(shù)效率[15]。采用氫氧化鈉溶液+鹽酸方法溶解Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片，所得到的溶解液與閃爍液之間的不同體積比可能會(huì)影響液閃樣品互溶性和氚的計(jì)數(shù)效率。為研究上述兩個(gè)問(wèn)題，開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

采用不同體積比的溶解液與閃爍液配置樣品，來(lái)觀察液閃樣品溶液的互溶性，體積配比參數(shù)見表2。同時(shí)，為了測(cè)量不同溶解液與閃爍液體積比下的氚測(cè)量計(jì)數(shù)效率，在樣品中加入少量的標(biāo)準(zhǔn)氚水(36.46 Bq·g?1)，加入標(biāo)準(zhǔn)氚水的量如表2所示。將加入了標(biāo)準(zhǔn)氚水的樣品放入液閃儀中進(jìn)行計(jì)數(shù)率測(cè)量，測(cè)量前樣品經(jīng)過(guò)1 d的避光處理，測(cè)量時(shí)間為每次10 min，每個(gè)樣品測(cè)三次，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。氚測(cè)量的計(jì)數(shù)效率?由內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)淬滅校正法來(lái)確定[13]，即：

式中：Cm為液閃儀每分鐘測(cè)到的計(jì)數(shù)率；A為樣品中標(biāo)準(zhǔn)氚水活度，Bq；Dm=60×A，即每分鐘的標(biāo)準(zhǔn)氚水活度，Bq·g?1；B為液閃儀及未添加標(biāo)準(zhǔn)氚水樣品的本底計(jì)數(shù)。

液閃樣品的互溶性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及氚測(cè)量的計(jì)數(shù)效率數(shù)據(jù)如表2所示，固態(tài)樣品為40 mg Al箔和500mg Li2CO3。由表2可以看出，當(dāng)閃爍液體積小于12 mL后，液閃樣品出現(xiàn)明顯的分層，互溶性變差；隨著閃爍液體積的減小，氚測(cè)量的計(jì)數(shù)效率明顯下降，故閃爍液體積應(yīng)至少取12 mL。

表2 不同閃爍液體積對(duì)液閃樣品互溶性和氚計(jì)數(shù)效率的影響Table 2 Compatibility and tritium counting efficiency influenced by different volumes of liquid scintillation.

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)用于液閃法產(chǎn)氚率測(cè)量的Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片液閃樣品制備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。不同溶劑制成的液閃樣品互溶性研究表明，采用氫氧化鈉溶液加鹽酸溶解Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片，可制成透明度高且無(wú)分層的液閃樣品，此方法可以作為將來(lái)的制樣工藝。溫度對(duì)液閃樣品互溶性的研究表明，制成的液閃樣品需要保存在10?20 °C的環(huán)境中，在測(cè)量過(guò)程中，也應(yīng)將樣品溫度保持在10?20 °C。溶解液與閃爍液之間不同體積比對(duì)液閃樣品互溶性及氚測(cè)量計(jì)數(shù)效率的影響研究表明，過(guò)低的閃爍液體積不僅會(huì)導(dǎo)致液閃樣品明顯分層，而且會(huì)造成氚計(jì)數(shù)效率顯著下降，對(duì)20 mL的液閃樣品，閃爍液體積應(yīng)至少取12 mL。上述樣品制備方法將會(huì)用于下一步的中子輻照Al箔封裝碳酸鋰探測(cè)片產(chǎn)氚率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究。

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Preparation method of liquid scintillation sample for tritium production rate measurement based on lithium carbonate pellet with aluminum foil coat

JIANG Bing1,2XIA Li1AN Li2WEN Wei2HE Tie2ZHANG Jie1LI Jianyi1DING Yanyan1MA Zhanwen1HUANG Zhiwu1WANG Junrun1LU Xiaolong1YAO Zeen1
1(School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)
2(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: The measurement of tritium production rate for tritium breeding blanket is one key issue of fusion system. Purpose: A preparation method of liquid scintillation sample for tritium production rate measurement based on lithium carbonate pellet with aluminum foil coat was studied. Methods: According to the basic principle of liquid scintillation technique counting, it is necessary to bring lithium carbonate pellet with aluminum foil coat into the scintillation solution by chemistry process. Results & Conclusion: From the results, the liquid scintillation sample prepared by sodium hydroxide and hydrochloric acid can keep clear fluid without the liquid-liquid separation. To improve tritium counting efficiency and with a good compatibility, liquid scintillation sample for 20 mL should keep least 12-mL liquid scintillation and the temperature during the process of preparation and measurement must be 10?20 °C centigrade.

Aluminum foil, Li2CO3pellet, Liquid scintillation sample, Tritium production rate measurement

JIANG Bing, male, born in 1990, graduated from Chengdu University of Technology in 2014, master student, focusing on nuclear technology and application

YAO Zeen, E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

date: 2017-01-11, accepted date: 2017-04-04

TL812.2

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060202

國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展專項(xiàng)(No.2015GB108000)、高增益包層實(shí)驗(yàn)?zāi)K中子學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目(No.2015GB108006)資助

蔣兵，男，1990年出生，2014年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹思夹g(shù)及應(yīng)用

姚澤恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2017-01-11，

2017-04-04

Supported by National Special Magnetic Confinement Fusion Energy Research (No.2015GB108000), Experimental study on Neutronic Performance in

High Gain Fusion Breeder Blanket Module (No.2015GB108006)