控制區空氣HTO取樣方法研究

2024-05-08 13:28:24羅雯丹

山東化工 2024年7期

關鍵詞：測量

羅雯丹

(中國原子能科學研究院,浙江嘉興 314300)

氚設施控制區空氣中的氚,氚化水含量占一定比重,氚化水對人體可能造成的危害較T2、HT等含氚氣體對人體造成的危害大10 000倍[1]。因此,在工作場所環境監測中,空氣中氚化水濃度是必測項目之一。

測氚電離室結構簡單、線性寬,可連續直接測量。但電離室測量靈敏度低,探測下限為40 kBq/m3。由于探測限不能完全滿足工作場所環境空氣中氚濃度的監測要求,只作為放射性變化趨勢的參考。間接法只采集空氣中的氚化水,部分采樣裝置上配套小型催化氧化裝置,將T2、HT等形態的氚轉化為氚化水蒸氣,然后取樣[2]。常用空氣中氚化水的取樣方法有鼓泡法、冷凝法、干燥劑吸附法和冷凍法等,方法比較如表1所示。

表1 空氣中HTO收集方法比較[3]

試驗前提是針對控制區環境短時間取樣后得出當前空氣中HTO活度濃度。適用于控制區取樣要求:操作簡單、方便,測量數據穩定可靠,取樣設備是否交叉污染對樣品測量結果產生影響,在取樣過程中是否會產生放射性廢物,設備是否產生靜電或電火花的風險。綜合比較后確定3種適合的取樣方式——鼓泡法、冷凝法及冷凍法。通過具體試驗進一步比較3種取樣方法在實際工作場所的實用性,驗證其優缺點,選擇適合的控制區空氣取樣方法,使測得的監測結果準確,操作方便。

1 試驗準備

1.1 儀器設備

液體閃爍計數儀(Packard Tri-Carb 5100TR,計數效率49%);室內除濕機(除濕量50～100 L/d,5～32 ℃,RH:30%～90%;水箱容量≥1 L)。

1.2 主要材料

針筒注射器(50 mL);液氮儲存瓶、液氮承裝杯(搪瓷杯容量1 000 mL,帶蓋)、不銹鋼金屬托盤、防凍傷手套;電子溫濕度計;液閃瓶(規格20.0 mL PE瓶);移液槍(規格1.0 mL);取樣瓶(規格30 mL,PE瓶)。

1.3 主要試劑

閃爍液:UltimaGoldTM(PE公司生產);液氮。

1.4 名詞解釋

CPM:Count per minute 每分鐘計數;tSIE:外標準轉換譜指數;BG:Background 本底。

2 試驗內容

2.1 針管、除濕機、液氮冷凍取樣方法比較

2.1.1 針管空氣取樣操作流程

選取一支干凈的針筒,使用超純水清洗內外表面,針筒內吸取10 mL超純水。取樣時,將針筒頭部略向下傾斜,緩慢、勻速向上拉動針筒活塞,確保針筒內超純水中有氣泡出現,針筒活塞拉至刻度30 mL,停止繼續拉動,針筒頭部朝上,緩緩將空氣推出針筒,注意不要將水推出針筒,重復拉推步驟10次。將針管內10 mL的超純水裝入取樣瓶中,取閃爍液10 mL,樣品2 mL分別注入液閃瓶,搖勻后放入液閃譜儀進行測量30 min。

2.1.2 除濕機取樣操作流程

將除濕機內水箱用清水沖洗后擦干后開啟除濕機,并記錄該房間溫濕度,待液氮完全揮發后關閉除濕機,將水箱內收集到的水倒入取樣瓶潤洗一遍后開始取樣,倒滿取樣瓶即可(約30 mL)并在蓋上注明取樣時間、地點及方法。將閃爍液10 mL、移液槍移取水樣2 mL,分別注入液閃瓶內;搖勻后放入液閃譜儀內進行測量,測量時間30 min。

2.1.3 液氮冷凍法取樣流程

在待取樣房間內放置液氮承裝杯(搪瓷水杯),水杯下墊有不銹鋼金屬托盤,將液氮緩緩倒入搪瓷杯內,注意液體飛濺防止凍傷,待液氮注入1 000 mL時停止,蓋上杯蓋,記錄該房間溫濕度,搪瓷杯外壁及不銹鋼托盤上逐漸凝結大片冰霜。由于液氮易揮發、揮發速度快,為保證能收集到足夠測量用的水樣,30 min后再次加入1 000 mL的液氮。待液氮完全揮發且凝結在搪瓷杯外壁的冰霜融化成水后,將融化在杯內及托盤上的水樣用注射器抽取入取樣瓶內,收集到的水樣約10～15 mL,在取樣瓶蓋上記錄取樣時間、地點及方法。取閃爍液10 mL、水樣2 mL,分別注入液閃瓶內;搖勻后放入5110液閃譜儀內進行測量,測量時間30 min。

2.1.4 試驗方案

試驗目的:分析測量結果,比較三種方法是否適合控制區空氣取樣。

試驗地點:B房間。

試驗內容:同時開始使用針管空氣取樣,開啟除濕機,傾倒液氮。待杯內液氮完全揮發后,關閉除濕機,保證取樣時間相同。針管空氣取樣在開始、第二次傾倒液氮、液氮即將完全揮發時各取樣一次,每次使用3支針管同時進行取樣。測量樣品前,取3個超純水樣品的測量結果作為測量所用儀器的本底水平。

記錄房間溫濕度、記錄樣品測量結果:CPM、tSIE。

2.1.5 數據處理

HTO活度濃度的計算公式:

式中:Eff——儀器效率,Eff=0.053 28+6.977 2×10-4×tSIE。

定義除濕機樣品與液氮樣品活度濃度相對偏差:

鼓泡法計算公式:

2.1.6 數據分析結果

結合表2和圖1可知注射器取樣法數據穩定性較低,且該方法的取樣效率需通過進一步嚴密的實驗獲得,該取樣方法有待進一步研究,故在控制區內環境取樣,就目前現有條件,注射器取樣法不適用。另外兩種取樣方法——除濕機與液氮采樣所得到的樣品放射性活度濃度差異很小,相對偏差均小于20%,兩組數據重復性和穩定性好,可以認為兩組數據來自同一總體,差異無統計學意義,兩種方法可互相替代。但試驗地點較單一,不能說明所用取樣方法在控制區其他房間同樣適用,且取樣設備在不同活度濃度房間重復使用是否存在交叉污染風險,都有待進一步試驗驗證。

圖1 B房間除濕機與液氮采集樣品活度比較圖

表2 針管、除濕機、液氮方法取樣后的樣品活度比較

2.2 液氮取樣裝置交叉污染驗證試驗

2.2.1 試驗方案

試驗目的:驗證同套液氮取樣裝置在不同活度濃度的房間進行取樣,對樣品測量結果的影響。

試驗地點:房間E、B、D、C,選擇以上控制區房間進行取樣的原因是:控制區所有房間的空氣中HTO活度偏高,經前期調查,E、D、B房間空氣中HTO活度較高,且與C房間相差較大,若存在交叉污染,對樣品的測量結果影響明顯。

試驗內容:在E、B、D房間同時進行液氮冷凍法取樣(取樣裝置全新),取樣完成后沖洗取樣裝置并擦干。再將E、B、D房間的液氮取樣裝置放置于C房間內繼續進行取樣,并另外準備一套全新的液氮取樣裝置于C房間同時開始取樣。將E、B、D取樣裝置放到C房間后收集到的空氣樣品與全新液氮取樣裝置收集到C房間的空氣樣品的活度濃度進行比較。

試驗記錄:各房間溫濕度,各房間樣品測量結果CPM、tSIE。

2.2.2 數據處理

2.2.3 數據分析

液氮取樣裝置交叉污染試驗樣品活度對比見表3。

表3 液氮取樣裝置交叉污染試驗樣品活度對比

由表3可知,在活度濃度較高房間取過樣的液氮取樣裝置在活度濃度較低的房間進行取樣時,樣品活度與C房間標準樣品活度的相對偏差小于±5%,樣品放射性活度濃度相差很小,未對該房間樣品測量結果造成影響,說明取樣裝置未被放射性污染,可以在不同房間交叉使用。

2.3 除濕機、液氮應用于控制區各房間取樣的穩定性試驗

2.3.1 試驗方案

試驗目的:驗證除濕機與液氮取樣法在控制區不同房間進行取樣是否可行、穩定性良好,同時驗證除濕機是否存在交叉污染風險。

試驗地點:選擇的房間均是空氣中HTO濃度較高,且活度濃度在各個量級均有體現。

6月12日取樣順序:A、E、F、A→C、E→D、F→G、C→H,選擇活度濃度相差不大(在同一量級上)的兩個房間共用同一臺除濕機。

6月18日取樣順序:A、C、D、A→E、C→F、D→H、E→H,D與H房間空氣中HTO活度濃度相差較大。

6月24日取樣順序:C、D、B、B→A、C→F、D→E、F→H,B與A房間空氣中HTO活度濃度相差較大。

6月30日取樣順序:A、F、C、A→B、F→E、C→D、D→H,先同時取3個活度濃度較低的房間,再取3個活度濃度較高的房間。

試驗內容:在控制區選擇的房間內分別使用除濕機及液氮冷凍法同時取樣,由于除濕機及液氮取樣裝置數量有限,每次僅能使用3套在3個房間同時進行取樣。待液氮完全揮發后關閉除濕機,保證取樣時間相同。更換房間取樣時,注意先清洗除濕機水箱及液氮杯、托盤并擦干。記錄各房間溫濕度,測量結果CPM、tSIE。

2.3.2 數據處理

ρ飽和=4.85×10[6.9×t/(230+t)]

式中:RH——相對濕度;

VML——測量樣品體積;

ρ飽和——飽和水蒸氣密度。

定義除濕機樣品與液氮樣品活度濃度相對偏差:

2.3.3 數據分析

結合圖2～5和表4～7可知,除濕機樣品活度與液氮樣品活度的相對偏差小于20%,進一步證明在不同房間使用以上兩種方式取樣所得結果差別不大,都可用于控制區環境取樣。但是個別房間除濕機采樣結果遠高于液氮采樣結果(相差1個數量級),相對偏差大于80%,對這種情況進行分析:由上一試驗已證明,液氮取樣裝置未被放射性活度濃度高的房間空氣樣品污染,液氮冷凍法取樣的樣品活度濃度值穩定,以其作為標準,分析除濕機的取樣結果,盡管對除濕機水箱進行沖洗擦拭,但內部的冷凝部件卻無法清潔,殘留著取前一個房間的樣品,故除濕機采樣結果偏高。在活度濃度相差不大(同一數量級)的兩個房間共用一臺除濕機進行取樣,或同一臺除濕機先于低濃度房間取樣后于高濃度房間取樣,對取樣結果無影響。