紅外吸收光譜法測量六氟化鈾濃度的裝置設計

瞿定榮 李媛媛

摘 要：UF6是核燃料加工產業中的重要原料，由于其放射性和化學毒性，UF6一旦泄漏將對人身安全造成巨大威脅。目前國內對UF6泄漏事故的研究甚少，該文提出了一種基于吸收光譜法的裝置設計方案，用于探測UF6泄漏時空氣中UF6的濃度。該裝置可在UF6泄漏事故中實時監測UF6濃度，為制定應急響應和現場救援提供輔助決策。

關鍵詞：紅外吸收光譜法 測量六氟化軸濃度 裝置設計原理

中圖分類號：O43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（b）-0009-03

中國的能源結構正向清潔低碳化發展，在這場能源結構調整中，核電始終被寄予厚望。隨著我國核電規模的日益擴大，人們對核能利用的關注度也越來越高，安全、綠色成為新形勢下核能發展的重要方向[1]。核能的利用離不開核燃料的加工，UF6是核燃料加工產業中極為重要的工作介質，鈾純化轉化、鈾濃縮、元件加工環節都有它的身影[2]。UF6具有放射性與化學毒性，對人的腎臟和肺部具有致命性損傷。同時，UF6極易水解，可以與空氣中的水蒸氣迅速反應生成UO2F2和HF，HF具有強酸性，對皮膚有強烈刺激和腐蝕作用[3]。因此，預防UF6的泄漏，并在泄漏事故發生后實時監測UF6濃度，制定高效的應急響應和救援計劃[4]，最大限度地減少事故對人身安全傷害，是核燃料加工行業安全工作的重要環節。基于以上分析，該文采用紅外吸收光譜法，研發了一種事故應急時用于測量空氣中UF6泄漏濃度的裝置。

1 裝置設計原理

紅外吸收光譜法是根據測量分子對特征吸收譜線的吸收，進行定性定量的一種分析方法[5]，它可測量氣體、溶液中某一組分的濃度，具有靈敏度高、分析精度高等優點。UF6在紅外光譜區具有明顯的特征峰，因此，可以根據吸收峰的強度確定UF6的相對濃度。同時，根據李庭華等人的實驗結果[6]，UF6在常溫條件下對16 μm的紅外光的吸收是非常靈敏的，因此，紅外吸收光譜法可以作為對UF6泄漏濃度進行有效鑒別和實時監測的技術手段。

2 吸收光譜法探測裝置的設計

基于紅外吸收光譜法的UF6氣體濃度探測裝置由激光器、分光鏡、光電接收器和查分放大器組成，裝置設計方案如圖2所示。

探測激光選用可調諧半導體激光器，激光頻率可在16 μm附近做無跳模掃描，探測激光頻率掃描周期，范圍可由信號發生器輸出的三角波控制。激光經分光鏡作用可沿3個路徑運動。光路1的激光經過UF6氣體標準樣品池，在光電接收器1處得到吸收峰。此吸收峰用于標定UF6特征吸收峰在吸收光譜中的位置。光路2密封在整個儀器中，不與空氣接觸，最終進入光電接收器2，作用是測定激光功率隨激光波長的變化規律，作為差分放大器的基礎輸入信號。光路3直接暴露在空氣中，用于空氣中存在六氟化鈾時，光電接收器3處能夠獲得UF6特征吸收譜線。

2.1 標準樣品池的設計

通常可以采用兩種方法判斷激光波長是否處于UF6的特征吸收峰附近，一種是波長計測量法；另一種是標準樣品池法。第一種方法需要激光在UF6特征吸收峰附近做頻率掃描，然后對激光波長進行測量，來確定此波長就是UF6特征吸收峰光譜。滿足這種要求的波長計價格昂貴且體積較大，將極大地增加裝置的設計成品。因此，該文采用標準樣品池法，將常溫下密閉容器中的低氣壓UF6標準樣品代替波長計，用以標定UF6的特征吸收峰。這樣，只要在光路1中出現UF6吸收峰，就可以確定激光的頻率是滿足要求的，并確定UF6特征吸收峰在吸收光譜中的位置。這樣的設計可以盡可能地減小裝置的體積和設計成本。

2.2 差分放大器測量吸收光譜

裝置設計的體積越小，操作起來更方便，因此，如圖2所示的裝置設計方案中，光路3在空氣中暴露的長度以及光路3的吸收長度越短越好。在這種情況下，當空氣中的UF6濃度很低時，對光路3中激光的吸收比例是非常低的，這種低吸收比例的情況稱為弱吸收。

3 結語

UF6是鈾濃縮和鈾轉化過程中的重要原料，其放射性和化學毒性對人身有巨大傷害。該文基于紅外吸收光譜法，設計了測定六氟化鈾西樓濃度的裝置，裝置采用標準樣品池標定UF6的特征吸收譜，差分放大方法測量吸收光譜，獲得UF6的泄漏濃度。裝置設計合理、成本較低，具有很強的可行性和實用價值，可以在UF6泄漏事故中為應急響應提供輔助決策。裝置設計還需要在實驗中加以驗證和改進。

參考文獻

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