便攜式氚監測儀現場校準裝置設計

吳甜甜　洪永俠　劉琢藝　程瑛　漆明森

摘 要

根據組成便攜式氚監測儀現場校準裝置的主要硬件及項目總的技術要求，調研確定了相關硬件的主要技術指標及其選型、設計加工等一系列過程;找到了符合要求的各部分硬件。對項目中存在的技術難點提出了相應解決方案。

關鍵詞

氚監測儀;現場校準裝置;設計

中圖分類號： TL81 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.030

0 引言

核燃料生產與使用，核電站運行中會釋放出氣態氚。這些氣態氚一方面會對人員帶來輻射危害及環境污染，另一方面，氣態氚的排放量又是核設施運行及環境安全評價的重要依據，因此，必須對其進行監測。為保證監測結果的準確可靠，必須對用于監測的儀器進行校準，通常，該類儀器由于安裝污染等原因，只能進行現場校準。由于受現場條件限制，要求現場校準裝置體型小，質量輕且易于攜帶。

為了規范氚氣監測儀的技術條件及校準方法，國際電工委員會（IEC）1983年發布了IEC761-5[1]，2002年又對該標準進行了修訂，并改版成60761-5IEC∶2002[2]。該標準是目前各國普遍采用的國際標準，我國參照采用該標準，制定頒布了GB7162·5-1987《用于輻射防護的空氣中氚的測量和監測設備》[3]和GB 7165·5-1988《氚排出流監測儀的特殊要求》[4]。標準規定要用與監測對象同一化學形態的標準氣體源對監測儀進行校準，標準氣體源不確定度≤7%（k=2），而對于不同化學形態氚氣的響應應小于15%。

通常情況下，環境中氚和反應堆運行時釋放出的氚主要以氚化水的形態存在，因而，應該用標準氚氣流（氚化水蒸氣流）對監測儀進行校準。對標準氚氣流的制備，目前普遍采用鼓泡法。

1 標準氚氣流發生器原理

鼓泡法產生標準氚化水蒸汽，目前世界上使用最多的是R.V.Osborne鼓泡器模型[5]，見圖1。

其原理是：假定鼓泡器飽和系數為S，分餾系數為F。

在鼓泡器內裝入一定質量的氚化水，其起始質量為M0（g），起始比活度為C（Bq·g-1），將鼓泡器放入恒溫器內恒溫，此時，鼓出的氣流中氚化水蒸汽密度Yt（g·m-3）恒定，再讓流速不變的干燥空氣通入鼓泡器鼓泡，就可以產生已知比活度的標準氚化水蒸汽。

R.V.Osborne為該模型推導了氚化水蒸汽比活度定量計算公式，結果為：

2 現場校準原理

將已知活度濃度的標準氚氣流直接充入與被校儀器相連的回路中，待儀器穩定后讀數，按照（2）式計算校準因子：

3 便攜式氚監測儀現場校準裝置設計

3.1 裝置組成

便攜式氚監測儀現場校準裝置用于氚監測儀的現場校準。其組成主要包括氚化水鼓泡器、恒溫器、質量流量控制器、傳遞儀器、抽氣泵及各種傳感器等，其中傳遞儀器由電離室和小電流測量儀組成。恒溫器用于恒定鼓泡器中氚水溫度;質量流量控制器用于控制鼓入鼓泡器的空氣流速及測定其總體積;氚氣監測儀為校準其他氚監測儀時使用的傳遞儀器;抽氣泵用于系統抽氣，是整個系統的動力源;溫度傳感器用于測量鼓泡器入口處空氣的溫度;壓力傳感器用于測量鼓泡器入口處空氣的壓力。將所有部件集成為一個系統，系統外形尺寸控制在400mm×400mm×600mm之內，總重量不超過15kg。原理框圖見圖2。

3.2 裝置主要技術指標

鼓泡時氚水溫度：低于環境溫度5℃～10℃;

干燥空氣露點：低于-40℃;

氚化水蒸汽活度濃度范圍：102Bq·m-3～107Bq·m-3;

氚化水蒸汽活度濃度合成標準不確定度：≤8%;

量程范圍：102Bq·m-3～107Bq·m-3。

3.3 裝置設計

3.3.1 非標設備加工主要技術要求

（1）空氣過濾器

用于系統進氣口空氣的過濾。過濾器為圓錐型，材料為不銹鋼和玻璃纖維紙。

（2）空氣干燥器

用于系統進氣口空氣的干燥。干燥器為圓柱形且兩頭為螺紋型，材料為有機玻璃管和鋁，用于與管道連接，干燥劑為變色硅膠和分子篩。

（3）緩沖器

從鼓泡器中鼓出的氚氣流，經緩沖器緩沖后，可得到流速穩定、均勻的標準氚氣流，緩沖器材料為不銹鋼。

（4）液氮冷凝器

液氮冷凝器用于液氮儲存和氚水回收器冷凝。冷凝器采用液氮生物容器的結構。

（5）鼓泡器

根據不同材料對氚的吸附特性以及熱傳導系數、硬度等物理特性，選用無氧銅設計加工了本系統的鼓泡器，鼓泡器結構為圓柱形，鼓泡端為球形，鼓泡端均勻地布滿了鼓泡孔。

（6）回收器

回收器用于鼓泡后氚水的回收，選用經退火處理的玻璃管設計加工，易于觀察和清洗。

（7）管道

用于系統各部分的連接。根據不同材料對氚的吸附特性和硬度等物理特性，并根據鼓泡器、回收器以及緩沖器接口的尺寸及連接方式，選用無氧銅設計加工本系統的連接管道。另外由于連接對象（如玻璃回收器），部分連接選擇了真空橡膠管。

（8）快速接頭

用于系統中鼓泡器與管道的連接，接頭材料為不銹鋼。

3.3.2 標準設備采購主要技術要求

恒溫器要求顯示分辨率高，溫場穩定，升、降溫時間短。質量流量控制器要求計數準確、穩定，連接簡便，流速范圍為（0～10）L·min-1，適合本系統氣體流量測試。便攜式氚氣監測儀要求大于上述量程和流速要求，過濾效率高，可持續運行6小時以上。抽氣泵要求抽氣速率至少為（0～15）L·min-1，可連續工作8小時以上，穩定可靠。溫度傳感器要求測量精度為±（0.10+0.002t）℃，測量范圍（0～50）℃，可滿足空氣體積修正的溫度測量精度要求。壓力傳感器要求傳感器誤差極限小于0.05%，絕壓范圍為（0～200）kPa，連接簡便，適合本系統壓力測量。

4 生產廠家與調研結果

通過調研國內幾乎所有生產恒溫器的廠商，以達到技術指標為前提，計劃采用半導體制冷恒溫器，通過技術改造滿足系統要求。質量流量控制器計劃采用北京七星華創電子股份有限公司的D07-19B/ZM型質量流量控制器。真空泵采用美國生產的GAST的MOA-P101-CD型真空泵。壓力傳感器選用廣東省江門市安泰電子有限公司的US10000高性能不銹鋼壓力變送器。

5 結束語

現場校準裝置的輕便與移動性是技術難點。通過研制小型化傳遞儀器及采用半導體制冷技術對鼓泡器進行恒溫，可實現現場校準裝置小型化和方便移動的目的。該裝置研制中的關鍵技術是鼓泡器的結構設計和參數確定，以及氚水定值和解決鼓出氚水的凝露問題。鼓出氚水的結露問題可利用溫差解決，控制鼓泡的氚化水溫度比環境溫度低，這樣，即使鼓出的是飽和氚化水蒸氣，到溫度較高的環境中后，也會變成不飽和，就不會發生凝露現象。

我國是核設施較多的國家之一，目前，在核電站運營中使用的氚監測儀有近百臺，由于這些氚監測儀未經過校準，已無法對放射性工作場所氚的濃度進行準確判斷，已經危害到了工作人員的安全，使用單位已多次提出了現場校準的要求，而且，隨著我國核事業的發展，氚監測儀的使用數量會不斷增加，因此，為保證這些氚監測儀測量結果的準確與可靠，必須對氚監測儀現場校準技術進行研究，并建立統一的現場校準方法，以滿足日益增多的氚監測儀現場校準需求。

參考文獻

[1]IEC 761-5《Equipmeng for continuous monitoring of radioactivity in gaseous effluents Part5：specific requiremengs for tritium monitors》.

[2]60761-5 IEC：2002 《Equipmeng for continuous monitoring of radioactivity in gaseous effluents Part5：specific requiremengs for tritium monitors》.

[3]GB7162·5-1987《用于輻射防護的空氣中氚的測量和監測設備》.

[4]GB 7165·5-1988《氚排出流監測儀的特殊要求》.

[5]R·V·Osborne·CONF-730907 ⅤⅡ，pp·1428-1433.