龍 斌,周國慶,田言杰,雷衛(wèi)國,陳 偉,蘇川英,王雪梅,馮淑娟

(西北核技術(shù)研究所,陜西 西安 710024)

核科學(xué)的發(fā)展和核能的利用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源開發(fā)、科學(xué)研究等方面發(fā)揮著重要的作用,但也帶來很多環(huán)境和安全問題。為確保核技術(shù)的和平、安全、可靠利用,核設(shè)施氣態(tài)流出物監(jiān)測能夠?yàn)楹嗽O(shè)施安全評(píng)估、輻射事故預(yù)警等提供數(shù)據(jù),另外放射性氣體核素監(jiān)測作為禁核試核查現(xiàn)場視察和國際監(jiān)測系統(tǒng)的重要手段為甄別可疑的違約活動(dòng)提供依據(jù)。

放射性氙同位素(131m,133,133m,135Xe)擁有較高的裂變產(chǎn)額、易泄漏擴(kuò)散、適宜的半衰期和較低的環(huán)境本底,使其成為禁核試核查現(xiàn)場視察和核設(shè)施安全監(jiān)測的重要特征核素[1-2]。現(xiàn)有放射性惰性氣體檢測系統(tǒng)分為3類。第1類是快速測量系統(tǒng),主要用于核電站等設(shè)施環(huán)境監(jiān)測,儀器的探測限大于104Bq/m3,這類儀器采用直接采樣/測量的方式,除部分儀器對(duì)氣體加壓外,基本不采用其他富集手段,且大多采用塑料閃爍體進(jìn)行總β測量,不能進(jìn)行核素分辨。典型的儀器包括Canberra 公司的CAM100G、CAM200PIGFF、CAM200PGFF,MGP儀器公司的NGM203L、NGM204L(分析周期為15 s～2 h),中國輻射防護(hù)研究院的PING50[3]等。然而,在低泄漏率的情況下,空氣會(huì)稀釋和擴(kuò)散放射性核素,因此這類儀器不適用于氣體泄漏的早期預(yù)警或低漏率情形的泄漏檢測。第2類儀器是超高靈敏度放射性氣體測量系統(tǒng),采用復(fù)雜的多級(jí)吸附-純化-實(shí)驗(yàn)室測量的工藝流程,系統(tǒng)的檢測靈敏度非常高,對(duì)133Xe的最小可探測活度濃度(MDC)約為1 mBq/m3,但采集/分析周期均大于20 h。典型系統(tǒng)主要為禁核試核查的臺(tái)站系統(tǒng)和現(xiàn)場視察設(shè)備,包括美國的ARSA[4-5],法國的 SPALAX[6],瑞典的SAUNA[7]、SAUNA field[8]、SAUNA Ⅲ[9],俄羅斯的ARIX[10-11]和ARIX-3F[12],以及中國的XESPM-Ⅱ/Ⅲ[13-15]等,這類系統(tǒng)的分析周期通常大于20 h,且其吸附柱結(jié)構(gòu)使得這類系統(tǒng)不能用于現(xiàn)場直接測量。第3類系統(tǒng)的探測靈敏度介于前二者之間,監(jiān)測周期小于1 h,對(duì)前兩類系統(tǒng)形成有益補(bǔ)充。文獻(xiàn)[16]基于77 K超低溫吸附原理研制了放射性氙高靈敏度快速檢測原型系統(tǒng),30 min的測量周期內(nèi)對(duì)133Xe的MDC約為4.3 Bq/m3,該系統(tǒng)需要液氮保障,且需要人工更換樣品盒,自動(dòng)化水平有待提高。

本文綜合運(yùn)用-110 ℃超低溫動(dòng)態(tài)吸附、中空纖維膜除雜和現(xiàn)場低本底測量等技術(shù),研制一套放射性氙高靈敏度現(xiàn)場快速自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng),為核設(shè)施安全監(jiān)測、核應(yīng)急氣體監(jiān)測提供新的解決方案。

1 儀器與方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮探測靈敏度、樣品處理速度、系統(tǒng)重量、易用性等因素,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是:1) 采用模塊化設(shè)計(jì);2) 具有穩(wěn)壓功能;3) 能有效去除氣體中的顆粒物、氡子體、H2O、CO2;4) 設(shè)計(jì)高測量效率樣品盒;5) 具有流量、壓力、溫度的即時(shí)測量/顯示功能;6) 可維護(hù)性強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)組件的快速更換。

系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。氣體通過氡子體過濾器(采用玻璃纖維濾紙對(duì)氡子體過濾,過濾效率大于99%[17])高效去除灰塵和氡子體后,采用空壓機(jī)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮采樣;氣體進(jìn)入熱交換器除去液態(tài)水并平穩(wěn)壓力;氣源處理器進(jìn)一步除去液態(tài)水;通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)空壓機(jī)的采樣流量,用壓縮空氣流量計(jì)進(jìn)行流量測量;然后,氣體通過優(yōu)化組合的中空纖維膜組件,大量去除H2O和CO2等雜質(zhì)組分,實(shí)現(xiàn)氣體的預(yù)濃縮。膜后氣體進(jìn)入除雜柱進(jìn)行深度除雜,使H2O和CO2等組分保持在極低水平,確保雜質(zhì)組分不會(huì)堵塞吸附柱且不影響氙的吸附。氣體進(jìn)入-110 ℃吸附柱被充分吸附,氣路尾氣通過專用管路回氣。吸附完成后,吸附柱自然回溫,排出自然回溫氣體,對(duì)管路抽真空后,加熱吸附柱至260 ℃,30 min后通入高純氮?dú)膺M(jìn)行解吸,解吸氣體收集入樣品盒內(nèi)并采用HPGe探測器進(jìn)行測量。同時(shí),持續(xù)通入氮?dú)庠偕街统s柱。測量完成后,對(duì)樣品盒抽真空并反復(fù)用氮?dú)鉀_洗保證殘留足夠小。內(nèi)置的超低溫致冷機(jī)將無水乙醇冷卻至-110 ℃。止回閥用于防止吸附尾氣和中空纖維膜滲透氣回流。采用-110 ℃吸附溫度的原因是,該溫度接近氙的沸點(diǎn),使吸附劑對(duì)氙的吸附能力足夠強(qiáng),也不會(huì)因?yàn)闇囟忍蛯?dǎo)致氙液化而堵塞吸附柱,同時(shí)使吸附柱足夠小,從而提高氙的吸附和解吸效率。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

圖2為系統(tǒng)硬件實(shí)物圖和軟件界面?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、模塊化、獨(dú)立化以及操作的便利性,將其劃分為取樣、預(yù)處理、致冷和測量共4個(gè)單元。取樣單元包括空壓機(jī)與過濾器;預(yù)處理單元包括除雜柱、氣源處理器、流量計(jì)、閥門管路等;致冷單元包括制冷系統(tǒng)、真空泵、注射器,冷卻槽和加熱室及控制組件;測量單元包括樣品盒、鉛屏蔽室、HPGe探測器。圖2b上圖為上位機(jī)控制軟件,通過網(wǎng)絡(luò)連接硬件系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)流程編輯、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、能譜顯示等功能,其中流程編輯具有動(dòng)作插入、刪除、修改功能,流程編輯完成后,可實(shí)現(xiàn)一鍵化操作,全流程可自動(dòng)循環(huán)。圖2b下圖為系統(tǒng)離線控制軟件,位于預(yù)處理單元,可實(shí)現(xiàn)對(duì)除雜柱、吸附柱、注射器、流量和真空泵的單獨(dú)控制。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖(a)及軟件界面(b)

除雜柱采用304不銹鋼材質(zhì)氬弧焊接,并打磨光滑;內(nèi)部U型結(jié)構(gòu)如圖3所示,尺寸為φ40 mm×300 mm,上端法蘭及手柄部分隔熱處理,防止?fàn)C傷。除雜柱加熱室采用陶瓷式加熱圈,最高加熱溫度為400 ℃,采用絲杠移動(dòng)平臺(tái)控制除雜柱上下移動(dòng)。

圖3 除雜柱結(jié)構(gòu)示意圖

吸附柱(圖4)采用銅管加工,尺寸為φ12 mm×200 mm,內(nèi)徑為10 mm;上部為空心法蘭結(jié)構(gòu),內(nèi)部填充保溫材料;法蘭與主體之間安裝有隔熱墊片,滿足低溫和高溫使用,最大限度減少熱量損失;接觸面安裝有O型圈,與接觸面軟連接與密封。在U型柱中間,安裝溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測吸附柱溫度,傳感器為T型熱電偶。吸附柱移動(dòng)采用電機(jī)和絲杠組合的方式,控制上升、下降和平移。吸附柱填充碳分子篩吸附劑(TJ-CMS),文獻(xiàn)[1]測試了其孔結(jié)構(gòu)及吸附特性。

圖4 吸附柱結(jié)構(gòu)示意圖

鉛屏蔽室內(nèi)部空間尺寸為φ150 mm×400 mm。鉛厚度為100 mm,內(nèi)襯為銅、鎘板,外層用2 mm鋼防護(hù)。鉛室本底全譜計(jì)數(shù)率小于2 s-1。樣品盒采用鋁材質(zhì)加工,內(nèi)部尺寸為φ80 mm×23 mm,壁厚為2 mm,樣品盒內(nèi)部為倒圓角,進(jìn)、出氣管采用1/8英寸(in)管道以減少管路死體積,采用碳纖維窗結(jié)構(gòu)減小對(duì)射線的吸收。

1.2 效率刻度

探測器采用ORTEC公司的GEM-C80-LB-C-S HPGe探測器,能量分辨率為0.825 keV@122 keV(57Co)、1.9 keV@1 332 keV(60Co),探測器相對(duì)效率為83%@1 332 keV(60Co)。本文研制了母體核素為226Ra的模擬氣體基質(zhì)放射源,源尺寸與系統(tǒng)樣品盒一致,源基質(zhì)選擇聚苯乙烯顆粒模擬空氣;該源由中國計(jì)量科學(xué)研究院加工并校準(zhǔn)(證書編號(hào):DLhd2021-14830)。實(shí)驗(yàn)刻度時(shí),探測器端面與源盒之間距離為5 mm。采用MCNP軟件計(jì)算相同測量條件下空氣中226Ra及其子體的探測效率,同時(shí)采用模擬氣體基質(zhì)放射源在相同條件下的實(shí)驗(yàn)值對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,模擬計(jì)算放射性氙同位素的探測效率。

1.3 回收率測量方法

氙的回收率(η)計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中:V(Xe)為富集后樣品氣中的純Xe體積;R(Xe)為空氣中Xe的濃度(0.087 cm3/m3);Va為采樣體積。

穩(wěn)定氙濃度測量采用Agilent 7890氣相色譜儀(TCD檢測器,爐溫為90 ℃,檢測器溫度為205 ℃)和PORAPAK Q色譜柱(60～80目、長2 m、外徑1/8 in,柱流量為10 mL/min,參比流量為26 mL/min)。

1.4 活度濃度和MDC計(jì)算

假設(shè)取樣過程中放射性氙同位素不斷被收集在吸附柱內(nèi),同時(shí)也在不停地發(fā)生放射性衰變,即富集和衰變同時(shí)發(fā)生,則氙同位素活度濃度C1(Bq/m3)計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中:ε為探測器對(duì)源盒內(nèi)133Xe、135Xe的探測效率,s-1/Bq;pγ為特征γ射線的發(fā)射概率;Nγ為感興趣特征峰的計(jì)數(shù);ts為測量時(shí)長,s;λ1為核素的衰變常量,s-1;F為取樣速率,m3/s;t2為樣品處理時(shí)長(包括自然回溫、解吸、樣品收集等過程),s;t1為采樣時(shí)長,s。

MDC計(jì)算公式如下:

(3)

其中,Nb為全能峰本底計(jì)數(shù)。

1.5 不確定度評(píng)定

測量結(jié)果的不確定度來源包括全能峰凈計(jì)數(shù)率不確定度、探測效率的不確定度、流量率不確定度以及回收率測量的不確定度,其中回收率測量的不確定度包括采樣體積、混合氣體收集體積以及穩(wěn)定氙測量結(jié)果的不確定度,探測效率測量的不確定度包括蒙特卡羅計(jì)算誤差和計(jì)算模型尺寸的不確定度。不確定度評(píng)定公式如式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中:uη為回收率測量結(jié)果的相對(duì)不確定度;u采樣體積為采樣體積的相對(duì)不確定度;u混合氣體收集體積為混合氣體收集體積的相對(duì)不確定度;uXe為穩(wěn)定氙測量結(jié)果的相對(duì)不確定度;uε為探測效率的相對(duì)不確定度;umod為蒙特卡羅計(jì)算模型尺寸的相對(duì)不確定度;ucal為蒙特卡羅計(jì)算誤差;uC為氙活度濃度測量結(jié)果的相對(duì)不確定度;uNγ為全能峰計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落;uF為流量率測量的相對(duì)不確定度。

2 結(jié)果與討論

2.1 探測效率校準(zhǔn)

HPGe探測器對(duì)模擬氣體基質(zhì)放射源的探測效率與蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果的比較列于表1。由表1可知,探測效率的蒙特卡羅計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差在±9%以內(nèi),表明本文所采用蒙特卡羅計(jì)算模型是有效的。

表1 模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的比較

采用蒙特卡羅模擬計(jì)算得到的放射性氙同位素探測效率列于表2。

表2 探測效率計(jì)算結(jié)果

2.2 回收率測量

采樣(吸附)-解吸-測量流程完成后,使用氣相色譜儀分析樣品盒內(nèi)的純氙濃度,結(jié)合樣品盒內(nèi)部空間體積和氣體壓力計(jì)算樣品盒內(nèi)純氙體積,根據(jù)式(1)計(jì)算系統(tǒng)的回收率,結(jié)果列于表3,回收率平均值為79.9%,兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。

表3 回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 MDC測量

在222Rn活度濃度為20 Bq/m3的條件下,根據(jù)式(3)分析系統(tǒng)的MDC,結(jié)果列于表4,不同類型放射性測量系統(tǒng)MDC的比較列于表5。

表4 MDC實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 放射性氙相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)MDC比較

由表4、5可知,本文所研制系統(tǒng)對(duì)133Xe和135Xe的MDC分別為0.26 Bq/m3和0.17 Bq/m3,優(yōu)于其他快速測量系統(tǒng)(如KRT、BAI9850-19和NGM204L等),分析周期優(yōu)于基于吸附原理的同類型系統(tǒng)。

2.4 不確定度評(píng)定

根據(jù)式(4)、(5)評(píng)定本系統(tǒng)監(jiān)測放射性氙測量結(jié)果的不確定度,結(jié)果列于表6。由表6可得,測量結(jié)果的擴(kuò)展相對(duì)不確定度小于±11.4%(k=2)。

表6 不確定度評(píng)定結(jié)果

3 結(jié)論

放射性氙取樣、測量技術(shù)研究和設(shè)備研制對(duì)于禁核試核查現(xiàn)場視察、核安全監(jiān)測和核應(yīng)急監(jiān)測均具有重要意義。本文運(yùn)用-110 ℃超低溫動(dòng)態(tài)吸附技術(shù),并結(jié)合中空纖維膜除雜、低本底γ能譜測量等技術(shù),研制了一套放射性氙高靈敏度現(xiàn)場快速自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng),對(duì)133Xe和135Xe的MDC分別為0.26 Bq/m3和0.17 Bq/m3,分析周期優(yōu)于變溫濃縮測量系統(tǒng),測量結(jié)果的合成擴(kuò)展不確定度小于±11.4%(k=2)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)放射性氙高靈敏度、快速測量的目標(biāo),可應(yīng)用于核安全監(jiān)測領(lǐng)域。