一種新型的氚污染表面去污材料

游國強 張文宇 趙懷璞 金 潮 張 恬

（中國輻射防護研究院，山西 太原 030006）

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一種新型的氚污染表面去污材料

游國強 張文宇 趙懷璞 金 潮 張 恬

（中國輻射防護研究院，山西 太原 030006）

摘 要：氚的擴散性、滲透性和再現(xiàn)性都很強，為減少作業(yè)人員去污時產(chǎn)生的電離輻射危害，本文提出了一種新型的氚污染表面去污薄膜材料。該材料由屏蔽材料、吸附材料組成。該材料適用于表面污染為104到108Bq/m2范圍的任何材料表面，由于該材料質(zhì)地柔軟，使用該材料可以直接覆蓋在待去污表面，進而可以減少操作人員的接觸時間，降低電離輻射危害，提高氚污染表面的去污效果。

關(guān)鍵詞：氚；去污；材料

0. 引言

氚（tritium），又名超重氫，是元素氫唯一的放射性同位素，也是最輕的放射性核素，存在于所有含氫的物質(zhì)中。氚主要有天然來源與人工來源。重水反應(yīng)堆是最主要的產(chǎn)氚源；隨著聚變能的研究和開發(fā)，氚的人工產(chǎn)量將不斷增加。除作為核燃料，用于軍事目的和受控核聚變反應(yīng)外，氚還作為β輻射源和示蹤劑在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學、水文地質(zhì)、科學研究等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

氚的污染特性有以下3個特點：

（1）與同位素交換快。凡是含氫的物質(zhì)同它接觸時全可發(fā)生同位素交換而很快受到污染。氚的親合力和吸附能力都很強，氚對不同材料的親合力不同。

（2）很強的滲透能力。氚不但可以吸附在與它接觸的材料上，而且能夠滲透進入其中。

（3）“轉(zhuǎn)移性”，即沾污的“再現(xiàn)性”。被嚴重污染的設(shè)備和工具，當擦洗干凈后不久又會重新沾污。

由于氚的擴散性、滲透性和吸附能力都很強，所以容易通過滲入、吸入和食入途徑進入體內(nèi)。不論是重水堆核電站的穩(wěn)定運行，氚污染設(shè)施的退役，含氚廢物的處理處置，還是氚的應(yīng)用，都對氚的去污、防護提出更高的要求。

1. 研究背景

1.1 氚的3個特征化學反應(yīng)

氚的3個特征化學反應(yīng)為溶解反應(yīng)，交換反應(yīng)，輻照分解反應(yīng)。

1.1.1 氚污染表面理想化模型

在自然環(huán)境中，氫的3種同位素（不考慮形式，H，D，T）在自然界中共存，相互平衡。同時假定氚污染待去污表面物體上覆蓋有一系列單分子水蒸氣層；最外層的水蒸氣非常松散；中間的水蒸氣依次由松散到緊密排列。如圖1所示為氚污染表面理想化模型。

1.1.2 溶解反應(yīng)

氫元素（不考慮形式，H2，D2，T2和所有的混合物），在某種程度上可以溶解到任何物質(zhì)中，氫原子或氫分子、類氫原子、類氫雙原子、體積更大的類氫分子以添隙的方式溶解（溶解在被氚污染的金屬材料晶型結(jié)構(gòu)中，定位于被氚污染的材質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點陣間）。

若不考慮氚化合物參與反應(yīng)，溶解反應(yīng)都有HTO（氚化水蒸汽）組分產(chǎn)生。

1.1.3 交換反應(yīng)

氚的交換反應(yīng)主要受同位素效應(yīng)的影響，該交換反應(yīng)能夠以較快的速度發(fā)生。由于氚的放射性衰變產(chǎn)生一定的能量，受此影響，使交換反應(yīng)進一步加強。就氚而言，交換反應(yīng)在幾秒到幾小時達到平衡。

1.1.4 輻照分解反應(yīng)

氚的輻照分解反應(yīng)大多發(fā)生在被氚污染表面上方的空氣和被氚污染的表面之間的界面上。這些反應(yīng)具體表現(xiàn)為：氚衰變能將被氚污染表面上方的氮和氧的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐话愕牡难趸铮∟O，N2O，NO2）。而被氚污染表面簡單的氧化物將轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜碗s的氧化物（如硝酸鹽，亞硝酸鹽，NO2S，NO3S），更大百分比的硝酸鹽和亞硝酸鹽吸收到和/或溶解于表面水蒸氣的單分子層中。輻照分解驅(qū)動的反應(yīng)將最終導致在多數(shù)被氚污染的表面產(chǎn)生氚化的亞硝酸和硝酸。這些氚化的亞硝酸與硝酸將分解為溶解在表面水蒸氣的含氚氨化物等物質(zhì)。

1.2 去污方法選擇

根據(jù)《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB18871-2002）的要求，控制區(qū)設(shè)備、工作臺的表面污染控制水平要求低于40Bq/m2；同時監(jiān)督區(qū)設(shè)備、工作臺的表面污染控制水平要求低于4Bq/m2。為滿足相關(guān)標準要求，目前采用的材料表面氚污染去污方法主要有擦拭去污、化學去污（可剝離膜、泡沫），輝光放電去污，激光去污，臭氧氧化去污，以及使用超吸附聚合體固化劑去污等方法等。而使用擦拭法、化學去污法等方法去污會增加操作人員接受電離輻射的風險，輝光放電，激光，臭氧氧化等去污方法暫時還無法實現(xiàn)在線去污，只能實現(xiàn)離線去污。

當氚濃度梯度較小和/或材料與氚接觸時間較短，此時氚僅影響待去污材料外部的松散單分子水層，即此時表面污染水平屬于非常低的水平（低于103Bq/m2）?？梢酝ㄟ^簡單的物理擦拭就可移除材料的氚表面污染，實現(xiàn)去污。當氚濃度梯度相對較大和/或與氚接觸時間較長時，中間層受到影響。此時表面污染水平的范圍較大（如104到108Bq/m2）。此時用擦拭法等機械方法去污相對較難，需要選擇另外的去污方法。

本文介紹一種新型的氚污染表面去污材料，使用時僅需直接使其覆蓋在待去污表面，一定時間后移除，即可達到去污目的。

2. 氚污染表面去污材料設(shè)計

2.1 氚污染表面去污材料的設(shè)計基本原理

由于氚的3個特征化學反應(yīng)為溶解反應(yīng)，交換反應(yīng)，輻照分解反應(yīng)，與其他放射性核素污染不同，在氚污染待去污材料表面實際堆積有氚的各種化合物。因而增加氚表面污染材料去污的難度，出現(xiàn)難以使用擦拭等機械方法去污的情形，并出現(xiàn)沾污的“再現(xiàn)性”。本文提出的氚污染表面去污材料的去污原理是利用吸附材料的吸附作用將待去污表面的氚化合物吸附、固定在吸附材料中，并使用屏蔽材料將氚阻止在屏蔽材料內(nèi)。氚污染表面去污材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示。氚污染表面去污材料主要由吸附材料、屏蔽材料等組成。

吸附材料的主要作用是對氚有較強的吸附能力，并具有一定的耐高溫、防酸堿的功能。該材料由硅膠、黃原膠等材料組成?？刹捎媚z，也可采用顆粒形態(tài)；當采用顆粒形態(tài)時，需使用膜狀帶孔固定材料將顆粒吸附材料與屏蔽材料熱壓粘合固定。

屏蔽材料主要由聚偏二氯乙烯和/或金屬氧化物等防氚性能較好的薄膜材料組成，主要作用是形成屏蔽層，阻止氚的擴散，減少作業(yè)人員電離輻射的危害。

2.2 氚污染表面去污材料使用方法

將氚污染表面去污材料直接覆蓋在待去污表面上，一定時間后將去污材料移除即可。使用氚污染表面去污材進行去污時，不使用化學試劑，不利用人工擦拭，在待去污表面形成屏蔽層，可以減少操作人員與污染源的接觸時間，減少電離輻射危害。

2.3 氚污染表面去污材料主要設(shè)計性能指標

氚污染表面去污材料重量：≤500 g/m2。

當測試溫度（25±2）℃，相對濕度65%時，氚污染表面去污材料去污因子：≥1000，氚污染表面去污材料阻止氚穿透時間：＞24h，氚污染表面去污材料氚氣滲透率：＜10-9/（m3·m-2·s-1）；

氚污染表面去污材料適用范圍：待去污表面材料表面污染水平104～108Bq/m2。

氚污染表面去污材料使用溫度：≤70℃；

氚污染表面去污材料耐酸堿性：pH值范圍1～13。

結(jié)語

本文提出了一種新型的氚污染表面去污材料，由吸附材料和屏蔽材料組成，采用氚吸附性能較好的材料作為吸附材料，采用阻氚性能較好的材料作為屏蔽材料。使用該材料進行氚污染表面去污，可以改變傳統(tǒng)的氚表面去污方法，提高氚表面污染的去除效果，盡可能地杜絕氚污染表面的再現(xiàn)性，減少重復去污的次數(shù)，降低操作人員接觸時間，減少氚的輻射危害。

參考文獻

［1］ WEAVER B， WALL W R. Tritium handling and safe storage. DOE-HDBK-1129-2007 ［M］. Washington， 2007： 1-16.

［2］ WEAVER B， WALL W R. Tritium handling and safe storage. DOE-HDBK-1129-99 ［M］. Washington， 1999： 49.

［3］ WEAVER B， WALL W R. Design considerations. DOE-HDBK-1132-99［M］. Washington， 1999： 86-127.

［4］游國強，崔安熙.含氚廢油處理技術(shù)進展［J］.輻射防護通訊，2009，29（3）：23-26.

［5］ GB18871-2002，電離輻射防護與輻射源安全基本標準［S］.

［6］孫宇，李燁，譚昭怡.氚污染手套箱內(nèi)壁及金屬去污實驗［J］.原子能科學技術(shù)，2010，44（9）：111-113.

［7］楊懷元，王輝，楊海蘭.美國氚設(shè)施去污退役新技術(shù)簡介［J］.輻射防護通訊，2006，26（5）：39-41.

中圖分類號：TL944

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