基于鋁箔封裝碳酸鋰探測片產氚率測量的液閃樣品制備方法

蔣 兵 夏 莉 安 力 文 煒 何 鐵 張 杰 李建一 丁琰琰馬占文 黃智武 王俊潤 盧小龍 姚澤恩

1（蘭州大學 核科學與技術學院 蘭州 730000）2（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所 綿陽 621900）

基于鋁箔封裝碳酸鋰探測片產氚率測量的液閃樣品制備方法

蔣 兵1,2夏 莉1安 力2文 煒2何 鐵2張 杰1李建一1丁琰琰1馬占文1黃智武1王俊潤1盧小龍1姚澤恩1

1（蘭州大學 核科學與技術學院 蘭州 730000）
2（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所 綿陽 621900）

氚增殖包層中產氚率的測量是聚變核能系統(tǒng)中需要研究的重要問題之一，本文開展了用于產氚率測量的Al箔封裝碳酸鋰探測片液閃樣品制備化學處理方法的研究。結果表明，首先采用氫氧化鈉溶液來溶解Al箔，然后再用鹽酸溶解碳酸鋰探測片的溶解方式，能制成透明度高且無分層的液閃樣品。為了提高測氚計數(shù)效率和保證樣品兼容性，對20 mL的標準液閃樣品，閃爍液體積應至少取12 mL，同時還應將液閃樣品保持在10?20 °C范圍進行儲存和測量。

Al箔，碳酸鋰，液閃樣品，產氚率測量

在以D-T反應的聚變核能利用系統(tǒng)中，為實現(xiàn)氚“自持”，需要對氚進行增殖，即在聚變堆包層中加入Li的化合物，依靠聚變反應產生的中子泄漏到包層與Li發(fā)生核反應來產生氚[1]。預先進行Li化合物經中子輻照后的產氚率(Tritium Production Rate, TPR)測量是重要的課題。測氚技術主要有內充氣正比計數(shù)器法、液體閃爍體探測器法等[2?4]，相比較而言，液體閃爍體探測器法因其具有高的可靠性和準確性，已被廣泛應用于氚計量測量和聚變堆包層產氚率測量研究[5?9]。在利用液體閃爍體探測技術開展聚變堆包層TPR研究中，首先需要采用合適的化學方法，將Li化合物溶解，并與一定量的閃爍液混合，制成混合均勻、互溶性很好的液態(tài)樣品，才能實現(xiàn)產氚率的準確測量。針對不同的Li化合物產氚材料，需要尋找最佳溶劑和工藝，以便與閃爍液很好相溶，即制成無沉淀和無分層的液態(tài)測試樣品。

碳酸鋰(Li2CO3)作為具有易溶解性的Li化合物，是產氚率測量材料之一[10]，經中子輻照后，主要以LiOT的形式儲氚[11]。在我們的研究中，擬采用碳酸鋰材料作為產氚率測量的探測片。為了避免探測片在中子輻照過程中因氚的逃逸造成對氚增殖率評估不準的問題，計劃采用Al箔將碳酸鋰封裝，然后再進行中子輻照，輻照后的包鋁碳酸鋰片，需進行樣品制備才能用于液閃測量。根據上述計劃，不僅需要研究Li2CO3的溶解問題，還需要研究Al箔的溶解問題，同時還需要解決溶解液與閃爍液的互溶性問題。有關Li2CO3的化學處理方法已有很多的研究報導[10,12]，但鮮有對Al箔封裝碳酸鋰探測片的化學處理研究。本文的主要目的是開展用于液閃法產氚率測量的Al箔封裝碳酸鋰探測片液閃樣品制備方法的研究。

1 實驗

1.1 Al箔封裝碳酸鋰探測片的制備

采用碳酸鋰粉末制備探測片，探測片的直徑為15 mm、厚度約為1 mm、質量約為500 mg。樣品進行中子輻照時發(fā)生6Li(n,α)T反應產生的氚(T)粒子的動能約為2.73 MeV[9]，在碳酸鋰探測片表面產生的T粒子有可能逃逸出探測片，造成產氚率測量不準。為了防止輻照過程中T的逃逸，采用Al箔來封裝探測片。在確定封裝Al箔的厚度時，采用SRIM程序[13]對動能為2.73 MeV的T粒子在Al中射程進行了模擬。結果顯示，40 μm的Al箔足以阻擋T的穿透，故采用厚度40 μm的Al箔對碳酸鋰探測片進行封裝，Al箔的質量約為40 mg。

1.2 液閃樣品的制備流程

根據液體閃爍體氚測量技術要求，經過中子輻照后的Al箔封裝碳酸鋰探測片需要經過化學處理后與閃爍液混合呈無分層均勻混合溶液，才能實現(xiàn)氚的準確測量。前期的實驗研究發(fā)現(xiàn)，無法直接采用酸將Al箔完全溶解，故本研究采取如圖1所示的流程來制備液閃樣品，并由此研究所制樣品的特性，以便確定液閃樣品的最佳溶解方法。具體的樣品制備流程為：1) 將制備的Al箔(40 mg)封裝碳酸鋰

(500 mg)探測片放入標準聚乙烯液閃測量瓶中（容積為20 mL），加入2 mL的氫氧化鈉溶液(5 mol·L?1)來溶解Al箔；2) 待Al箔溶解完全后，再用適量的酸來溶解碳酸鋰，本研究將分別采用硝酸、鹽酸、冰乙酸來溶解碳酸鋰；3) 待碳酸鋰完全溶解后，加入適量的蒸餾水，制成8 mL溶液；4) 再添加12 mL的Ultima Gold LLT閃爍液，制成20 mL測量樣品。

圖1 含Al箔封裝碳酸鋰探測片的化學處理流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of chemical process for lithium carbonate pellet with aluminum foil coat.

2 結果與討論

2.1 不同酸對液閃樣品互溶性的影響

不同酸制備的探測片溶解液與閃爍液的淬滅程度是不一樣的，可能與閃爍液混合并不相容[10,14]。根據前面提到的液閃樣品的制樣要求，無論采用何種酸溶解碳酸鋰，最終目的是要使制備的液閃樣品成無分層均勻混合的液體。在圖1的化學處理工藝流程中，本節(jié)的主要目的是研究采用不同酸溶解碳酸鋰條件下，液閃樣品互溶性問題。采用的酸分別為硝酸(65%?68%)、鹽酸(36.5%?38.5%)、冰乙酸加強酸（硝酸或鹽酸）。

固態(tài)樣品為40 mg Al箔和500mg Li2CO3，其各種材料的配比數(shù)據和實驗結果見表1。由表1可以看出，采用硝酸、冰乙酸加硝酸、冰乙酸加鹽酸來溶解碳酸鋰，制成的液閃樣品均有明顯的分層，說明上述幾種方法制備的液閃樣品互溶性差。而采用鹽酸來溶解碳酸鋰制成的液閃樣品無分層，故確定氫氧化鈉溶液(5 mol·L?1)加鹽酸來溶解Al箔封裝碳酸鋰探測片的方法可以作為將來的制樣工藝。

表1 制備參數(shù)及液閃樣品分層情況Table 1 Parameters of preparation process and liquid-liquid separation phenomenon of samples.

2.2 溫度對液閃樣品互溶性的影響

早先的研究已發(fā)現(xiàn)，溫度對液閃樣品互溶性也存在影響，溫度會增加淬滅分子的擴散系數(shù)，增大淬滅碰撞幾率[14]。為了研究溫度對采用氫氧化鈉溶液加鹽酸方法制備的液閃樣品互溶性的影響，將制備好的樣品放置在不同溫度環(huán)境下靜置約5 h，觀察樣品的狀態(tài)。結果顯示，當溫度為4 °C時，液閃樣品狀態(tài)為渾濁、未分層；在10 °C、13 °C、17 °C、 20 °C時，狀態(tài)為透明、未分層；在24 °C、29 °C時，狀態(tài)為透明、分層；而在33 °C時，則為乳白色液體。由此可以看出，過低的溫度會造成液閃樣品變渾濁，過高的溫度會使樣品分層或乳化，即樣品的透明度變差，會影響氚測量的準確性。在10?20 °C，樣品透明且未分層，另外，實驗也發(fā)現(xiàn)，將分層的樣品振蕩搖勻后放入冰箱冷藏室(4 °C)靜置3 h以上，然后靜置在10?20 °C的環(huán)境中5 h以上，分層現(xiàn)象會消失。故可得出以下結論，制成的液閃樣品需要保存在10?20 °C的環(huán)境中，在測量過程中，也應將樣品溫度保持在10?20 °C。

2.3 溶解液與閃爍液體積比對互溶性和計數(shù)效率的影響

閃爍液的用量過少，使閃爍液對溶解液的裝載能力減小，進而影響樣品的互溶性和氚的計數(shù)效率[15]。采用氫氧化鈉溶液+鹽酸方法溶解Al箔封裝碳酸鋰探測片，所得到的溶解液與閃爍液之間的不同體積比可能會影響液閃樣品互溶性和氚的計數(shù)效率。為研究上述兩個問題，開展了相關的實驗研究。

采用不同體積比的溶解液與閃爍液配置樣品，來觀察液閃樣品溶液的互溶性，體積配比參數(shù)見表2。同時，為了測量不同溶解液與閃爍液體積比下的氚測量計數(shù)效率，在樣品中加入少量的標準氚水(36.46 Bq·g?1)，加入標準氚水的量如表2所示。將加入了標準氚水的樣品放入液閃儀中進行計數(shù)率測量，測量前樣品經過1 d的避光處理，測量時間為每次10 min，每個樣品測三次，取平均值作為測量結果。氚測量的計數(shù)效率?由內標準淬滅校正法來確定[13]，即：

式中：Cm為液閃儀每分鐘測到的計數(shù)率；A為樣品中標準氚水活度，Bq；Dm=60×A，即每分鐘的標準氚水活度，Bq·g?1；B為液閃儀及未添加標準氚水樣品的本底計數(shù)。

液閃樣品的互溶性實驗結果及氚測量的計數(shù)效率數(shù)據如表2所示，固態(tài)樣品為40 mg Al箔和500mg Li2CO3。由表2可以看出，當閃爍液體積小于12 mL后，液閃樣品出現(xiàn)明顯的分層，互溶性變差；隨著閃爍液體積的減小，氚測量的計數(shù)效率明顯下降，故閃爍液體積應至少取12 mL。

表2 不同閃爍液體積對液閃樣品互溶性和氚計數(shù)效率的影響Table 2 Compatibility and tritium counting efficiency influenced by different volumes of liquid scintillation.

3 結語

本文對用于液閃法產氚率測量的Al箔封裝碳酸鋰探測片液閃樣品制備進行了實驗研究。不同溶劑制成的液閃樣品互溶性研究表明，采用氫氧化鈉溶液加鹽酸溶解Al箔封裝碳酸鋰探測片，可制成透明度高且無分層的液閃樣品，此方法可以作為將來的制樣工藝。溫度對液閃樣品互溶性的研究表明，制成的液閃樣品需要保存在10?20 °C的環(huán)境中，在測量過程中，也應將樣品溫度保持在10?20 °C。溶解液與閃爍液之間不同體積比對液閃樣品互溶性及氚測量計數(shù)效率的影響研究表明，過低的閃爍液體積不僅會導致液閃樣品明顯分層，而且會造成氚計數(shù)效率顯著下降，對20 mL的液閃樣品，閃爍液體積應至少取12 mL。上述樣品制備方法將會用于下一步的中子輻照Al箔封裝碳酸鋰探測片產氚率測量的實驗研究。

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Preparation method of liquid scintillation sample for tritium production rate measurement based on lithium carbonate pellet with aluminum foil coat

JIANG Bing1,2XIA Li1AN Li2WEN Wei2HE Tie2ZHANG Jie1LI Jianyi1DING Yanyan1MA Zhanwen1HUANG Zhiwu1WANG Junrun1LU Xiaolong1YAO Zeen1
1(School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)
2(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: The measurement of tritium production rate for tritium breeding blanket is one key issue of fusion system. Purpose: A preparation method of liquid scintillation sample for tritium production rate measurement based on lithium carbonate pellet with aluminum foil coat was studied. Methods: According to the basic principle of liquid scintillation technique counting, it is necessary to bring lithium carbonate pellet with aluminum foil coat into the scintillation solution by chemistry process. Results & Conclusion: From the results, the liquid scintillation sample prepared by sodium hydroxide and hydrochloric acid can keep clear fluid without the liquid-liquid separation. To improve tritium counting efficiency and with a good compatibility, liquid scintillation sample for 20 mL should keep least 12-mL liquid scintillation and the temperature during the process of preparation and measurement must be 10?20 °C centigrade.

Aluminum foil, Li2CO3pellet, Liquid scintillation sample, Tritium production rate measurement

JIANG Bing, male, born in 1990, graduated from Chengdu University of Technology in 2014, master student, focusing on nuclear technology and application

YAO Zeen, E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

date: 2017-01-11, accepted date: 2017-04-04

TL812.2

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060202

國家磁約束核聚變能發(fā)展專項(No.2015GB108000)、高增益包層實驗模塊中子學性能實驗研究項目(No.2015GB108006)資助

蔣兵，男，1990年出生，2014年畢業(yè)于成都理工大學，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究領域為核技術及應用

姚澤恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2017-01-11，

2017-04-04

Supported by National Special Magnetic Confinement Fusion Energy Research (No.2015GB108000), Experimental study on Neutronic Performance in

High Gain Fusion Breeder Blanket Module (No.2015GB108006)