壓水堆核電站燃料包殼破損狀態(tài)下主系統(tǒng)氚的測量方法①

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(福建福清核電有限公司,福建　福清　350318)

福清核電站采用液閃法測氚，2016年下半年，福清核電站2號機組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(以下簡稱主系統(tǒng))中氚的測量結(jié)果在4 098～199 208 MBq/t之間波動，波動較大且同一樣品的重現(xiàn)性也較差。2號機組主系統(tǒng)氚測量結(jié)果波動較大主要是由燃料包殼破損釋放了部分裂變產(chǎn)物到冷卻劑中造成的。結(jié)合試驗方法，給出了壓水堆核電站燃料包殼破損狀態(tài)下主系統(tǒng)氚測量的優(yōu)化方法。

1　氚的測量原理

氚是一種低能的β衰變體，其β能譜的范圍是0～18.6 keV，因此國內(nèi)一般采用液閃法測氚，將一定量的樣品加到固定體積的液體閃爍液中，樣品中氚發(fā)射的β粒子能量大部分被閃爍液吸收，引起閃爍液分子的電離和激發(fā)。大部分受激發(fā)的閃爍液分子不參與閃爍過程，以熱能的形式失去能量；其余受激發(fā)的閃爍液分子在退激時發(fā)射出光子。當(dāng)光子的光譜與液閃計數(shù)器光電倍增管陰極的響應(yīng)光譜相匹配時，便被光電倍增管收集，產(chǎn)生脈沖，形成β能譜。

為消除閃爍液淬滅的影響，Tri-Carb 3180TR/SL型液閃計數(shù)器內(nèi)置了一個133Ba源作為外標(biāo)準(zhǔn)γ源對其進(jìn)行校正。通過133Ba源照射待測樣品獲該樣品的康普頓譜，進(jìn)而獲得該樣品的外標(biāo)準(zhǔn)源換譜指數(shù)(以下簡稱tSIE值)，從而獲得該樣品的測量效率(Count Efficiency)*通過測量添加不同量淬滅劑的具有不同淬滅水平的系列標(biāo)準(zhǔn)源，得到該儀器的測量效率-tSIE值曲線。，福清核電液閃計數(shù)器測量效率-tSIE值曲線見圖1。

圖1　福清核電液閃計數(shù)器測量效率-tSIE值曲線Fig.1　 The curve of liquid scintillation counter measurement efficiency-tSIE value in Fuqing nuclear power plant

根據(jù)液閃計數(shù)器測量效率-tSIE值曲線就可以對樣品的測量效率進(jìn)行淬滅校正,從而求出氚的比活度。該淬滅校正法是目前國內(nèi)核電站主系統(tǒng)氚測量的主要淬滅校正方法。通過試驗總結(jié)，主系統(tǒng)樣品的tSIE值一般在250～500之間，對應(yīng)的效率一般在30%～50%之間。

2　裂變產(chǎn)物對氚測量的影響

福清核電2號站機組燃料首循環(huán)期間主系統(tǒng)樣品氚的測量結(jié)果波動較大，同一天(2016年8月23日)樣品的測量結(jié)果在6 043～25 629 MBq/t之間波動，其對應(yīng)的tSIE值在48.34～2 688.34之間波動，對應(yīng)的效率在4.817%～108.427%之間波動，數(shù)據(jù)見表1。

表1　福清核電站2號機組主系統(tǒng)樣品(2016年8月23日)氚的測量結(jié)果Table 1　Measurement results of tritium in main system sample (August 23, 2016) of Fuqing nuclear power unit 2

通過檢查儀器性能并反測標(biāo)準(zhǔn)源排除了儀器故障的可能，因此懷疑是樣品本身造成了測量結(jié)果波動較大，通過實驗室分析得出該樣品中主要的核素信息如表2。

表2　福清核電站2號機組主系統(tǒng)樣品(2016年8月23日)中主要核素的信息Table 2　Information on the main nuclides in the main system sample of Fuqing nuclear power unit 2 (August 23, 2016)

福清核電站2號機組首循環(huán)期間，燃料包殼發(fā)生了破損，因此該樣品中主要的放射性核素為裂變產(chǎn)物，包括惰性氣體和少量碘的放射性同位素，絕大部分裂變產(chǎn)物都伴隨有β衰變，氚的β衰變能量較低，β能譜范圍是0～18.6keV，上述裂變產(chǎn)物β衰變的最大能量(Eβmax)都大于氚的最大β衰變能量18.6 keV，因此其β衰變的能譜會疊加到氚的β能譜中，導(dǎo)致氚的測量結(jié)果偏差較大。

福清核電站2號機組主系統(tǒng)中總惰性氣體含量在2016年7月29日突躍到27 770 MBq/t，后續(xù)一直維持在28 000 MBq/t左右，最高達(dá)到了29 860 MBq/t，直到2016年9月14日降低到20 000 MBq/t以下。在此期間，2號機組主系統(tǒng)氚的測量結(jié)果均波動較大，也側(cè)面印證了裂變產(chǎn)物過高是造成氚測量結(jié)果波動較大的原因。

3　燃料包殼破損狀態(tài)下氚測量方法優(yōu)化

燃料包殼破損狀態(tài)下，裂變產(chǎn)物會釋放到主系統(tǒng)冷卻劑中，對氚的測量造成干擾。如何消除或減少主系統(tǒng)冷卻劑中的裂變產(chǎn)物，成為了提高主系統(tǒng)中氚測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。通過試驗的以下3種前處理方法，降低了樣品中的裂變產(chǎn)物含量，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1　樣品稀釋

氚待測樣品采用在20 ml的低鉀瓶中加入12 ml閃爍液，加入7.5 ml高純水，加入0.5 ml主系統(tǒng)樣品的比例制備，為減少主系統(tǒng)樣品中裂變產(chǎn)物對測量的影響，將主系統(tǒng)樣品的加入量由0.5 ml調(diào)整為0.1 ml，高純水的加入量由7.5 ml調(diào)整為7.9 ml，測量結(jié)果如表3：

表3　樣品稀釋后測量數(shù)據(jù)Table 3　Measured data after dilution

通過將樣品稀釋5倍，減少樣品中裂變產(chǎn)物的含量，稀釋后樣品的tSIE值為306.19，tSIE值比較符合預(yù)期，氚的測量結(jié)果為7 131 MBq/t。

3.2　樣品煮沸除氣

惰性氣體是主要的裂變產(chǎn)物，具有易揮發(fā)的特點，通過煮沸樣品，可以減少樣品中惰性氣體的含量，經(jīng)檢測煮沸2 min后的樣品，其裂變氣體的含量均<60 MBq/t，碘的放射性同位素含量基本不變。煮沸2 min后的樣品測量結(jié)果如下：

表4　樣品煮沸除氣后數(shù)據(jù)Table 4　Measured data after boiling degassing

煮沸后樣品的tSIE值比較符合預(yù)期，氚的測量結(jié)果為6 000 MBq/t左右。

3.3　樣品靜置衰變

裂變產(chǎn)物中半衰期最長的是133Xe，其半衰期為5.2 d，而氚的半衰期是12.4 a，因此可以通過短時間的靜置衰變，減少樣品中裂變產(chǎn)物的含量，而不影響氚測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。2016年8月23日取的2號機組主系統(tǒng)樣品在靜置后測量結(jié)果如表5：

表5　樣品靜置衰變測量數(shù)據(jù)Table 5　Measured data after decay

取樣當(dāng)天及3 d后的樣品分析結(jié)果波動較大，樣品中的裂變產(chǎn)物在經(jīng)歷了至少2個半衰期后，2016年9月2日測量結(jié)果的tSIE值比較符合預(yù)期；樣品中的裂變產(chǎn)物在經(jīng)歷了至少3個半衰期后，裂變產(chǎn)物的活度減少為原來的八分之一后，2016年9月9日氚的測量結(jié)果為6 054 MBq/t，與煮沸后樣品的測量結(jié)果基本一致。

稀釋、煮沸除氣和靜置衰變(靜置時間超過15 d)這3種樣品前處理方式，均可以大幅度降低樣品中裂變產(chǎn)物的含量，從而提高燃料包殼破損狀態(tài)下主系統(tǒng)樣品氚測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。福清核電站2號機組主系統(tǒng)樣品通過上述3種方式處理后測量，其tSIE值基本穩(wěn)定在300左右，降低了裂變產(chǎn)物對主系統(tǒng)氚測量的影響，針對2016年8月23日的樣品，稀釋后測量結(jié)果為7 131 MBq/t，煮沸后測量結(jié)果為5 905 MBq/t，靜置衰變18d后測量結(jié)果為6 054 MBq/t，測量誤差較小，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4　結(jié)論

燃料包殼破損狀態(tài)下，大量釋放到主系統(tǒng)冷卻劑中的裂變產(chǎn)物是造成壓水堆核電站主系統(tǒng)樣品氚測量結(jié)果波動較大的原因。針對燃料包殼破損狀態(tài)下主系統(tǒng)樣品氚的測量，建議如下：

1)針對燃料包殼有破損的壓水堆機組，密切關(guān)注主系統(tǒng)冷卻劑中裂變產(chǎn)物的含量，分析主系統(tǒng)樣品氚時關(guān)注分析報告中的tSIE值，在測量結(jié)果波動較大的情況下，結(jié)合冷卻劑中裂變產(chǎn)物的含量，優(yōu)化樣品前處理方法，確保分析結(jié)果準(zhǔn)確。

2)稀釋樣品是一種非常簡單高效的前處理方法，通過稀釋，降低樣品中裂變產(chǎn)物含量，減少裂變產(chǎn)物對氚測量的影響，但樣品稀釋不能完全去除裂變產(chǎn)物，因此首次采用該方法處理分析樣品時，建議同步采用煮沸除氣的方法驗證。

3)裂變產(chǎn)物中的惰性氣體易揮發(fā)，通過煮沸樣品，可以去除絕大部分惰性氣體，該前處理方法可以作為樣品稀釋方法的補充，并用于樣品稀釋方法的驗證。

4)在分析數(shù)據(jù)的及時性不作特殊要求的情況下，可以采取靜置衰變后測量，通過15 d以上的靜置衰變(超過133Xe的3個半衰期)，可有效降低樣品中的裂變產(chǎn)物，提高氚測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。