鈾豐度在線分析儀在鈾濃縮工廠的應(yīng)用研究

任 寧，李世豪

（中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西漢中 723000）

0 引言

鈾豐度在線分析儀是一種專門用于鈾離心濃縮廠精料（產(chǎn)品端）和貧料（尾料端）鈾豐度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裝置。傳統(tǒng)的豐度測(cè)量采用的是質(zhì)譜計(jì)，其測(cè)量精度高，但是操作復(fù)雜，維護(hù)昂貴，分析周期也較長(zhǎng)（一般需要2 h），不能實(shí)現(xiàn)豐度的在線測(cè)量，同時(shí)此設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，成本較高。鈾豐度在線分析儀由于可以實(shí)現(xiàn)235U 豐度在線測(cè)量，測(cè)量方便，總結(jié)分析鈾豐度在線分析儀在鈾濃縮工廠的應(yīng)用情況，為鈾豐度在線分析儀在鈾濃縮工廠的大范圍應(yīng)用提供參考。

1 鈾豐度在線分析儀變壓測(cè)本底原理

在線分析儀正常運(yùn)行時(shí)，UF6工藝氣體流經(jīng)測(cè)量容器，會(huì)與測(cè)量容器發(fā)生化學(xué)吸附和物理吸附，從而沉積在容器的內(nèi)表面，通過(guò)對(duì)級(jí)聯(lián)某些部位的拆解，可以看到大量的固體粉末沉積。這些固體粉末沉積在測(cè)量容器內(nèi)，固體粉末中的235U 也會(huì)發(fā)射特征酌射線，會(huì)對(duì)測(cè)量得到的235U 特征酌射線產(chǎn)生影響，這就形成了鈾豐度在線分析儀的測(cè)量本底。

隨著鈾在線豐度分析儀的運(yùn)行，固態(tài)粉末越來(lái)越多，本底值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響越來(lái)越大，所以需定時(shí)對(duì)容器的本底進(jìn)行測(cè)量。考慮到本底的影響，可得式（1）：

式（1）中，E 為UF6氣體的豐度，k 為刻度系數(shù)，S 為 酌 射線計(jì)數(shù)率，SB為在線豐度分析儀的本底，T 為經(jīng)傳感器測(cè)量的容器的溫度和壓力。由式（1）可得式（2）：

當(dāng)E 一定，K 和T 值不變，通過(guò)改變測(cè)量容器的壓力P，可得到一組S 和P 值，經(jīng)過(guò)擬合可以得到SB值。變壓測(cè)本底就是利用此原理來(lái)定期消除本底對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

2 鈾豐度在線分析儀在鈾濃縮工廠的應(yīng)用情況

2.1 鈾豐度在線分析儀刻度試驗(yàn)

由于刻度對(duì)豐度儀的測(cè)量精度有較大的影響，為了尋找相關(guān)規(guī)律，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。對(duì)在線分析儀的刻度采取4 種方法：每個(gè)工作日刻度；每周一、三、五刻度；每周一刻度；每15天刻度一次。正常運(yùn)行時(shí)補(bǔ)壓機(jī)后壓力比較穩(wěn)定（約30～50乇），鈾豐度在線分析儀從補(bǔ)壓機(jī)后引壓，工作氣體經(jīng)過(guò)分析儀后回流至補(bǔ)壓機(jī)入口。實(shí)驗(yàn)表明：刻度周期越短，測(cè)量誤差越低。前三種刻度方法，鈾豐度在線分析儀工作良好，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高，滿足鈾濃縮工廠對(duì)于豐度監(jiān)測(cè)的需要。每個(gè)工作日刻度一次，分析儀測(cè)量的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0072%，鈾豐度在線分析儀與質(zhì)譜計(jì)的測(cè)量曲線對(duì)比如圖3 所示，4 種刻度周期下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

可以看出，前3 種刻度周期下，測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差都在1%以內(nèi)，每15 天刻度1 次，標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。通過(guò)與質(zhì)譜計(jì)的累積豐度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前3 種刻度周期，兩者豐度累計(jì)偏差均在0.005%以內(nèi)，每15 天刻度1 次豐度偏差較大。所以，每周刻度1次可以滿足鈾濃縮工廠對(duì)于產(chǎn)品豐度控制的需要。

表1 不同刻度周期鈾在線豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 低壓下鈾在線豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)

由于工藝系統(tǒng)工況的調(diào)整，補(bǔ)壓機(jī)出口壓力降低（低于10乇后），鈾豐度在線分析儀測(cè)量曲線如圖1 所示。

可以看出，當(dāng)取壓點(diǎn)壓力較低（低壓下），鈾豐度在線分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)有較大幅度的變化，向豐度增加的方向漂移，刻度后測(cè)量結(jié)果同質(zhì)譜計(jì)測(cè)量相當(dāng)，但一段時(shí)間后又開始向上漂移。測(cè)量容器壓力較低，導(dǎo)致在線分析儀得出的平均凈計(jì)數(shù)率較低（約為130），從而使測(cè)量結(jié)果較分散，雖然刻度能使其測(cè)量結(jié)果有所好轉(zhuǎn)，但持續(xù)時(shí)間較短，之后豐度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大可達(dá)依0.2。

原因分析：測(cè)量容器壓力低，導(dǎo)致測(cè)量容器內(nèi)物料較少，產(chǎn)生的特征譜線較弱，凈計(jì)數(shù)率較低，容易受固態(tài)沉積物、氣體中的氟化氫等的影響，所以測(cè)量結(jié)果偏差較大，無(wú)法滿足鈾濃縮工廠豐度在線監(jiān)測(cè)的需求。

2.3 精料凈化對(duì)于在線豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈾在線豐度儀取壓點(diǎn)壓力較低時(shí)，鈾豐度在線分析儀的測(cè)量曲線有明顯的鋸齒狀，經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，鋸齒的頂峰出現(xiàn)在精料凈化后，鋸齒的低谷出現(xiàn)在精料凈化前。精料凈化對(duì)豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)的影響見圖2。

數(shù)據(jù)分析：可以看出在線豐度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，可見明顯的鋸齒狀。這是輕雜質(zhì)在豐度儀入口的累積作用導(dǎo)致的。在低壓下，測(cè)量容器的壓力由UF6和輕雜質(zhì)分壓兩部分組成，凈化前測(cè)量容器內(nèi)雜質(zhì)氣體分壓較高，測(cè)量數(shù)據(jù)偏低；凈化后輕雜質(zhì)較少，雜質(zhì)氣體分壓少，測(cè)量容器壓力較低，測(cè)量值較高。凈化結(jié)束后，隨著輕雜質(zhì)的累積，測(cè)量數(shù)據(jù)緩慢降低，以此形成鋸齒狀。可見在低壓下，輕雜質(zhì)的累積作用對(duì)于豐度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)有較大的影響，即精料容器凈化方式對(duì)豐度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)有較大的影響。

導(dǎo)致低壓下鈾豐度在線分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大的原因可總結(jié)為：測(cè)量容器壓力較低時(shí)，無(wú)法定時(shí)進(jìn)行變壓測(cè)本底，本底的變化只能通過(guò)刻度進(jìn)行消除；測(cè)量容器壓力較低時(shí)，容器壓力受精料凈化的影響較大，呈現(xiàn)鋸齒狀；測(cè)量容器壓力較低時(shí)，在線分析儀監(jiān)測(cè)到的235U 的計(jì)數(shù)率較低，一般約（100～300 count/S）,SB與S 的比值較大，正常情況下，當(dāng)測(cè)量容器壓力達(dá)到40 乇以上時(shí)，計(jì)數(shù)率可達(dá)到1000以上。

2.4 高壓下鈾在線豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)

圖3 為高壓下豐度儀與質(zhì)譜計(jì)測(cè)量曲線對(duì)比圖，可以看出，刻度時(shí)間對(duì)于豐度儀的測(cè)量精度影響較大，豐度儀經(jīng)過(guò)刻度后，測(cè)量數(shù)據(jù)可以和質(zhì)譜計(jì)數(shù)據(jù)相吻合，一段時(shí)間后，質(zhì)譜計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)開始向上漂移。鈾豐度在線分析儀的測(cè)量精度與刻度間隔緊密相關(guān)。

圖1 低壓下豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

圖2 精料凈化對(duì)豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

圖3 高壓下豐度儀測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在線豐度分析儀在鈾濃縮工廠的應(yīng)用，主要可得到以下結(jié)論。

（1）刻度對(duì)于豐度儀的測(cè)量結(jié)果有較大的影響。如不定期刻度，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)不斷升高，本底升高的原因主要為固態(tài)鈾化合物的沉積所致。若今后采取有效的過(guò)濾措施，將固體鈾化合物過(guò)濾，從而提高豐度儀測(cè)量精度，以期解決測(cè)量數(shù)據(jù)本底不斷升高的問(wèn)題。

（2）豐度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)與精料凈化有較大關(guān)系，雜質(zhì)氣體的周期性累積使得豐度儀測(cè)量曲線出現(xiàn)鋸齒形。若對(duì)精料凈化方式進(jìn)行優(yōu)化，可減少對(duì)測(cè)量的影響。

（3）在線豐度儀取壓點(diǎn)壓力較高時(shí)，定期刻度已可滿足豐度在線監(jiān)測(cè)的要求；當(dāng)取壓點(diǎn)壓力較低時(shí)，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，不能滿足豐度監(jiān)測(cè)的需求，預(yù)期在豐度儀入口加裝一套加壓泵提高取樣壓力至50 乇左右，可提高在線豐度儀的測(cè)量精度。