基于濕法氧化法測量放射性廢樹脂中3H和14C的方法

曾 帆，郭貴銀，蔣 婧，黃彥君，上官志洪，高 超，劉新華，郭喜良

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 102445；3.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

核電廠運行過程中產(chǎn)生的放射性固體廢物包括廢樹脂、濃縮液、廢過濾器芯、技術廢物等，因其放射性核素的種類和活度的差異，處置方法各不相同。開展固體廢物中放射性核素的測量，可為固體廢物的貯存、處理和處置提供更有效的管理。

3H和14C是核電廠產(chǎn)生和排放的重要放射性核素，其在核電廠產(chǎn)生的固體廢物中占有一定比例。國際原子能機構(IAEA)第421號技術報告[1]的統(tǒng)計結果顯示，一座1 000 MW的壓水堆核電廠，通過氣態(tài)和液態(tài)排放的14C分別為129.5 GBq/a和1.3 GBq/a，而進入固體廢物的量則為647.5 GBq/a。另據(jù)美國核電廠流出物監(jiān)測報告[2]，3H在不同類型的固體廢物中均占有一定的比例。以Shearon Harris核電廠2015年監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，其廢樹脂和干固體廢物中3H的比例分別為7.1%和6.2%。

國內(nèi)核電廠依據(jù)《核動力廠環(huán)境輻射防護標準》(GB 6249—2011)[3]的要求，對氣態(tài)和液態(tài)流出物中的3H和14C開展了監(jiān)測，但對固體廢物中3H和14C的監(jiān)測尚缺少經(jīng)驗，亟需建立相應的分析方法。目前，國外普遍采用濕法氧化法處理核電廠廢樹脂[4]。Veres等[5]對匈牙利某壓水堆核電廠廢樹脂開展監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)廢樹脂中14C的濃度范圍為1.2～5.3 kBq/g；Magnusson等[6]對瑞典Ringhals核電廠廢樹脂中14C的監(jiān)測表明，廢樹脂中14C的活度濃度范圍為6 Bq/g～50 kBq/g。

本文擬以核電廠核級樹脂為對象，采用Fenton濕法氧化法對3H和14C開展聯(lián)合處理和測量，以建立核電廠放射性固體廢物中3H和14C的監(jiān)測方法為目的，以期為固體廢物的監(jiān)督管理提供技術支持。

1 實驗

1.1 主要儀器和試劑

實驗室自制濕法氧化裝置(圖1)，裝置配件來自蘇州東吳玻璃儀器有限公司；XS-204分析天平，分度值為0.1 mg，美國Mettler Toledo公司；移液器，德國BRAND公司；MACRO cube元素分析儀，德國Elementar公司；Tri-carb 3180液體閃爍譜儀，美國PerkinElmer(PE)公司。

1——恒溫電熱套；2——圓底三頸燒瓶；3——加液管；4——恒壓分液漏斗；5——熱電偶；6——蛇形冷凝管；7——干燥器；8——洗氣瓶；9——冰水浴圖1 濕法氧化裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wet oxidation device

AmberliteTMIRN97 H型陽離子交換樹脂，總交換容量≥2.15 eq/L(H+形態(tài))，持水率45%～51%(H+形態(tài))，粒徑(525±50) μm，美國羅門哈斯公司；過硫酸鈉、七水合硫酸亞鐵、過氧化氫(30%)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；Hisafe 3 閃爍液、Permaflour閃爍液，美國PerkinElmer(PE)公司。

1.2 方法原理

Fenton濕法氧化法利用過氧化氫與Fe2+作用，產(chǎn)生羥基自由基(·OH)，·OH具有強氧化性，與樹脂作用發(fā)生氧化還原反應，將有機大分子氧化為二氧化碳和水。氧化過程的反應機理[7-9]如下：

1.3 實驗方法

取約1.5 g 干廢樹脂置于反應裝置中，加入一定量的蒸餾水，調(diào)節(jié)pH=3，攪拌，設定加熱溫度。溶液溫度達到設定值后依次加入少量過硫酸鈉、亞鐵離子和過氧化氫，記錄反應時間，通過二氧化碳吸收量評價樹脂的氧化效果。

1.4 方法回收率測定

樹脂中的3H和14C主要以有機物形式存在，當樹脂被完全氧化時，3H和14C的氧化效率相等。樹脂中的3H經(jīng)氧化后以氚化水的形式存在，其回收率主要與樹脂的氧化效率有關，14C的回收率可根據(jù)反應產(chǎn)生的二氧化碳的量來確定，即實驗開始前，由元素分析儀分析樹脂中碳的百分含量，實驗結束后，以稱量法測量吸收液中二氧化碳的含量。14C回收率η計算公式如下：

(1)

式中：m2為反應結束后吸收液中的二氧化碳質(zhì)量，g；w為樹脂中碳的質(zhì)量分數(shù)；m1為參與反應的樹脂質(zhì)量，g；12為14C的摩爾質(zhì)量；44為二氧化碳的摩爾質(zhì)量。

1.5 方法準確度及精密度

由于樹脂結構復雜，難以找到相對應的標準物質(zhì)，本方法準確度采用方法間比對進行驗證。對14C的測量結果與《生物樣品中14C的分析方法 氧彈燃燒法》(GB/T 37865—2019)[10]的結果進行比較分析，采用F檢驗和t檢驗法進行評價[11]，即：

(2)

式中，S1和S2分別為2種方法測量結果的標準偏差，按下式計算：

(3)

若F≥F表，則2組數(shù)據(jù)精密度存在顯著差異；若F

(4)

若t≥t表，則兩組數(shù)據(jù)的平均值存在顯著差異；若t

1.6 核電廠廢樹脂中3H和14C的測量

采用本方法測量國內(nèi)某核電廠一回路廢樹脂(AMBERLITETMIRN97 H+型交換樹脂)中的3H和14C。測量步驟如下：

1) 取約1.5 g廢樹脂置于反應裝置中，加入一定體積的去離子水，攪拌，加入少量Na2S2O8、2.5 g FeSO4·7H2O和25 mL H2O2，90 ℃下反應3 h；

2) 反應結束后，將氚收集器中的蒸餾液轉(zhuǎn)移到燒杯中，取8 mL于計數(shù)瓶(氚計數(shù)瓶)中，再加入12 mL Hisafe 3閃爍液，振蕩混勻，放入液體閃爍譜儀上測量；

3) 稱量裝有30 mL Carbo-sorb E吸收液洗氣瓶的質(zhì)量，從中取出9 mL吸收液于測量瓶中，稱重后加入9 mL Permafluor E閃爍液，搖晃均勻后放入液體閃爍譜儀上測量。

1.7 結果計算及最小可探測活度濃度

1)3H和14C測量結果計算

廢樹脂中3H的比活度采用下式計算：

(5)

式中：AH為廢樹脂中3H的比活度，Bq/g；nc為樣品計數(shù)率，s-1；nb為本底計數(shù)率，s-1；Eff1為3H計數(shù)效率；m1為樹脂質(zhì)量，g；η為回收率；V1為進入計數(shù)瓶中的樣品體積，mL；V2為反應體系體積(包括加入的去離子水及H2O2反應后生成的水的體積)，mL。

廢樹脂中14C的比活度采用下式計算：

(6)

式中：AC為樣品中14C的比活度，Bq/g；Eff2為14C的測量效率；V3為二氧化碳測量液體積，mL；V4為二氧化碳吸收液體積，mL。

2) 最小可探測比活度

廢樹脂中3H的最小可探測比活度(MDCH，Bq/g)采用下式計算：

(7)

式中：Nb為本底總計數(shù)；tb為本底測量時間。

廢樹脂中14C的最小可探測比活度(MDCC，Bq/g)采用下式計算：

(8)

2 結果與討論

2.1 氧化條件優(yōu)化

為優(yōu)化氧化條件，設計以H2O2濃度、Fe2+濃度、反應時間和反應溫度為因素的正交實驗，結果列于表1。表中，Kij表示因素j在i水平下的平均回收率，Rj表示因素j在各水平下回收率的極差。

2.2 方法回收率

在上述最優(yōu)的反應條件下，對樹脂連續(xù)進行6次測量，用元素分析儀分析樹脂中碳元素的百分含量(25.55%)，由式(1)計算方法回收率，結果列于表2。

Fenton濕法氧化法處理AmberliteTMIRN97 H型樹脂，反應后樹脂顆粒完全消失，溶液呈乳白色。表2中6次測量結果顯示，方法回收率范圍為92.9%～99.4%，平均值為96.8%。

表1 正交實驗結果Table 1 Result of orthogonal experiment

表2 濕法氧化法測量樹脂中14C的回收率Table 2 Recovery of 14C in resin measured by wet oxidation method

2.3 方法準確度和精密度

同時采用濕法氧化法和氧彈燃燒法測量樹脂中14C的比活度，并對所得結果進行比較，以驗證濕法氧化法的準確度，結果列于表3。

由表3可知，濕法氧化法和氧彈燃燒法測量14C的平均值分別34 mBq/g和35 mBq/g，精密度分別為10.2%和8.9%。對2種方法測量結果進行F檢驗和t檢驗，當n1=n2=6時，F(xiàn)表=5.05，t表=4.28(置信度為95%)[11]，有F=1.26

2.4 核電廠廢樹脂測量結果

1) 廢樹脂中3H和14C測量結果

采用本方法對某核電廠同一批廢樹脂進行3次平行測量，結果列于表4。由表4可見，3H的比活度為(6 134±640) Bq/g，相對標準偏差為10.1%，探測限約為41 Bq/g。14C的比活度為(2 724±147) Bq/g，相對標準偏差為5.4%，探測限約為1.3 Bq/g。

表3 濕法氧化法和氧彈燃燒法測量樹脂中14C比活度結果比較Table 3 Comparison for results of 14C in resin measured by wet oxidation and oxygen bomb combustion

2) 與國外核電廠廢樹脂測量結果的比較

將表4中測量結果與國外核電廠測量結果進行對比分析，結果列于表5。

表4 廢樹脂樣品中3H和14C的測量結果Table 4 Measurement results of 3H and 14C in waste resin sample

表5 廢樹脂中3H和14C測量結果對比分析Table 5 Comparative analysis of measurement results of 3H and 14C in waste resin

由表5可見，各核電廠廢樹脂中3H和14C的比活度有較大差異，這主要與核電廠機組型號及運行情況有關。本文測量結果在國外核電廠歷年統(tǒng)計結果的范圍內(nèi)，且廢樹脂中3H和14C的活度均高于我國《放射性廢物分類》中核素豁免水平或解控水平，因此應在廢樹脂的后處理過程中予以關注。

3 結論

1) Fenton濕法氧化法測量廢樹脂中的3H和14C，方法的回收率為92.9%～99.4%。回收率的影響因素依次為：雙氧水濃度>反應溫度>Fe2+濃度>反應時間。

2) 濕法氧化法測量樹脂中14C，6次重復測量結果的相對標準偏差為10.2%，測量結果與標準方法GB/T 37865—2019的結果無顯著性差異。

3) 對國內(nèi)某核電廠廢樹脂的測量結果表明，3H和14C的最小可探測比活度約為41 Bq/g和1.3 Bq/g；3H和14C比活度為(6 134 ±640) Bq/g和(2 724±147) Bq/g。均高于《放射性廢物分類》中核素豁免水平或解控水平，后期處理處置過程中應予以關注。